Java内存模型相关原则详解

发表于： 2019年11月6日 2019年11月6日
分类： Java, jvm
标签： Java, sychronized, volatile, 先发生原则, 内存模型

在《Java内存模型(JMM)详解》一文中我们已经讲到了Java内存模型的基本结构以及相关操作和规则。而Java内存模型又是围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性以及有序性这三个特征来构建的。本篇文章就带大家了解一下相关概念、原则等内容。

原子性

原子性即一个操作或一系列是不可中断的。即使是在多个线程的情况下，操作一旦开始，就不会被其他线程干扰。

比如，对于一个静态变量int x两条线程同时对其赋值，线程A赋值为1，而线程B赋值为2，不管线程如何运行，最终x的值要么是1，要么是2，线程A和线程B间的操作是没有干扰的，这就是原子性操作，不可被中断的。

Java内存模型对以下操作保证其原子性：read，load，assign，use，store，write。我们可以大致认为基本数据类型的访问读写是具备原子性的（前面也提到了long和double类型的“半个变量”情况，不过几乎不会发生）。

从Java内存模型底层来看有上面的原子性操作，但针对用户来说，也就是我们编写Java的程序，如果需要更大范围的原子性保障，就需要同步关键字——synchronized来保障了。也就是说synchronized中的操作也具有原子性。

可见性

可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即得知这个修改。

Java内存模型是通过变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值，将主内存作为传递媒介。可回顾一下上篇文章的图。

无论普通变量还是volatile变量都是如此，只不过volatile变量保证新值能够立马同步到主内存，使用时也立即从主内存刷新，保证了多线程操作时变量的可见性。而普通变量不能够保证。

除了volatile，synchronized和final也能够实现可见性。

synchronized实现的可见性是通过“对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中”来保证的。

主要有两个原则：线程解锁前，必须把共享变量的最新值刷新到主内存中；线程加锁时，将清空工作内存中共享变量的值，从而使用共享变量时需要从主内存中重新读取最新的值。

final的可见性是指：被final修饰的字段在构造器中一旦初始化完成，并且构造器没有把“this”的引用传递出去，那在其他线程中就能看见final的值。

有序性

在Java内存模型中有序性可归纳为这样一句话：如果在本线程内观察，所有操作都是有序的，如果在一个线程中观察另一个线程，所有操作都是无序的。

有序性是指对于单线程的执行代码，执行是按顺序依次进行的。但在多线程环境中，则可能出现乱序现象，因为在编译过程会出现“指令重排”，重排后的指令与原指令的顺序未必一致。

因此，上面归纳的前半句指的是线程内保证串行语义执行，后半句则指指“令重排现”象和“工作内存与主内存同步延迟”现象。

同样，Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性。

指令重排

计算机执行指令经过编译之后形成指令序列。一般情况，指令序列是会输出确定的结果，且每一次的执行都有确定的结果。

CPU和编译器为了提升程序执行的效率，会按照一定的规则允许进行指令优化。但代码逻辑之间是存在一定的先后顺序，并发执行时按照不同的执行逻辑会得到不同的结果。

编译器优化重排序：编译器在不改变单线程程序语义的前提下，重新安排语句执行顺序。
指令级并行重排序：处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应及其的执行顺序。
内存系统的重排序：处理器使用缓存和读/写缓冲区，使得加载和存储操作看上去可能是乱序执行。

举个例来说明一下多线程中可能出现的重排现象：

class ReOrderDemo {
    int a = 0;
    boolean flag = false;

    public void write() {
        a = 1;                   //1
        flag = true;             //2
    }

    public void read() {
        if (flag) {                //3
            int i =  a * a;        //4
            ……
        }
    }
}

在上面的代码中，单线程执行时，read方法能够获得flag的值进行判断，获得预期结果。但在多线程的情况下就可能出现不同的结果。

比如，当线程A进行write操作时，由于指令重排，write方法中的代码执行顺序可能会变成下面这样：

flag = true;             //2
a = 1;                   //1

也就是说可能会先对flag赋值，然后再对a赋值。这在单线程中并不影响最终输出的结果。

但如果与此同时，B线程在调用read方法，那么就有可能出现flag为true但a还是0，这时进入第4步操作的结果就为0，而不是预期的1了。

请记住，指令重排只会保证单线程中串行语义执行的一致性，不会关心多线程间语义的一致性。这也是为什么在写单例模式时需要考虑添加volatile关键词来修饰，就是为了防止指令重排导致的问题。

JMM提供的解决方案

在了解了原子性、可见性以及有序性问题后，看看JMM是提供了什么机制来保证这些特性的。

原子性问题，除了JVM自身提供的对基本数据类型读写操作的原子性外，对于方法级别或者代码块级别的原子性操作，可以使用synchronized关键字或者重入锁(ReentrantLock)保证程序执行的原子性。

而工作内存与主内存同步延迟现象导致的可见性问题，可以使用synchronized关键字或者volatile关键字解决。它们都可以使一个线程修改后的变量立即对其他线程可见。

对于指令重排导致的可见性问题和有序性问题，则可以利用volatile关键字解决。volatile的另一个作用就是禁止重排序优化。

除了靠sychronized和volatile关键字之外，JMM内部还定义一套happens-before（先行发生）原则来保证多线程环境下两个操作间的原子性、可见性以及有序性。

先行发生原则

如果仅靠sychronized和volatile关键字来保证原子性、可见性以及有序性，那么编写并发程序会十分麻烦。为此在Java内存模型中，还提供了happens-before原则来辅助保证程序执行的原子性、可见性以及有序性的问题。该原则是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的依据。

happens-before规则：

程序次序规则：在一个线程内，程序前面的操作先于后面的操作。
监视器锁规则：一个unlock操作先于后面对同一个锁的lock操作发生。
volatile变量规则：对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作，也就是说读取的值肯定是最新的。
线程启动规则：Thread对象的start()方法调用先行发生于此线程的每一个动作。
线程加入规则：Thread对象的结束先行发生于join()方法返回。
线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生，可以通过interrupted()方法检测到是否有中断发生。
对象终结规则：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行发生于它的finalize()方法的开始。
传递性：如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，那么操作A先行发生于操作C。

还拿上面的具体代码来进行说明：

class ReOrderDemo {
    int a = 0;
    boolean flag = false;

    public void write() {
        a = 1;                   //1
        flag = true;             //2
    }

    public void read() {
        if (flag) {                //3
            int i =  a * a;        //4
            ……
        }
    }
}

线程A调用write()方法，线程B调用read()方法，线程A先(时间上的先后)于线程B启动，那么线程B读取到a的值是多少呢？

现在依据8条原则来进行对照。

两个方法分别由线程A和线程B调用，不在同一个线程中，因此程序次序原则不适用。

没有write()方法和read()方法都没有使用同步手段，监视器锁规则不适用。

没有使用volatile关键字，volatile变量原则不适用。

与线程启动、终止、中断、对象终结规则、传递性都没有关系，不适用。

因此，线程A和线程B的启动时间虽然有先后，但线程B执行结果却是不确定，也是说上述代码没有适合8条原则中的任意一条，所以线程B读取的值自然也是不确定的，换句话说就是线程不安全的。

修复这个问题的方式很简单，要么给write()方法和read()方法添加同步手段，如synchronized。或者给变量flag添加volatile关键字，确保线程A修改的值对线程B总是可见。