漫游JVM(二)：JVM内存模型

Kinson本尊
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本节是JVM的第二篇文章，我们来看看容易与JVM内存结构混淆的概念：JVM内存模型。如果对内存结构不是很了解的小伙伴，可以先去看看： 漫游JVM(一)：JVM内存结构

内存模型（Java Memory Model），是线程间通讯的机制，描述了JVM中【主内存】和【线程本地内存】的关系，在Java虚拟机设计的时候，就参考了计算机中的【内存】与【CPU的高速缓存】的交互，因此两者JVM的内存模型与计算机的十分相似。

1 JVM的内存模型

JMM抽象了【主内存】和【线程本地内存】的概念。从抽象的角度来看，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：线程之间的共享变量存储在【主内存】中，每个线程都有一个私有的【线程本地内存】，【线程本地内存】中存储了该线程以读/写共享变量的副本。

JMM

2 三大性质

在描述分析Java并发编程的时候，常常会提及到【原子性】、【可见性】和【有序性】作为切入点，我们在学习JMM的时候，同样也可以以此来切入。

2.1 原子性

原子性是指一个操作是不可中断的，要么全部执行成功要么全部执行失败，而在JMM中，【主内存】和【线程本地内存】的交互，就是通过下面8个原子操作来实现的：

  • read（读取）：作用于主内存变量，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用
  • load（载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主存中变量放入工作内存中
  • use（使用）：作用于工作内存中的变量，它把工作内存中的变量传输给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值，就会使用到这个指令
  • assign（赋值）：作用于工作内存中的变量，它把一个从执行引擎中接受到的值放入工作内存的变量副本中
  • store（存储）：作用于主内存中的变量，它把一个从工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便后续的write使用
  • write（写入）：作用于主内存中的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中
  • lock（锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为线程独占状态
  • unlock（解锁）：作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定

JMM_8atomic

2.2 可见性

可见性是指当一个线程修改了工作内存的变量后，其他线程能够立即得知这个修改。

为方便描述，下面将主存中的变量A称为【主A】，而各自线程对此的备份为【线A1】和【线A2】。

两个线程不可见：
1. 【主A】的数据为10
2. 线程1和线程2访问主存获得【主A】的备份，分别为【线A1】和【线A2】
3. 线程1对【线A1】进行修改，例如赋值为15
4. 此时线程2中的【线A2】仍然是10

如何解决这个问题呢？

MESI（缓存一致性协议）

在java中，如果使用volatile关键字来修饰上述的变量A，就可以解决上述的可见性问题。其实其原理是使用了【MESI（缓存一致性协议）】，MESI要求某个线程修改了本地内存中的变量时，必须将变量立马写入主存，同时其他线程将其本地内存的副本标记为失效，再次使用时，需要重新到主存中加载最新的数据。

具体的情况，我们结合JMM再来说明一下当修饰了volatile关键字后的情况:

  1. 修饰volatile关键字后，开启MESI
  2. 当某个线程对本地内存中的变量[assign]时，会立即将数据[store]->[write]，从而将数据立马写入到主存中
  3. 在写入的过程实际上还会加锁，即[loca]->[store]->[write]->[unlock]，因为上了锁，其他线程如果想在再获取数据，只能等待写入完成且释放锁后，才能再次读取到主存的数据。
  4. 其他线程都会因开启MESI而持续监听总线，当监听到其他线程有数据即将写入(到达总线)，则会将自己的本地内存中的副本标记为失效，如果仍需使用这份数据时，只能再次到主存中重新读取一份最新的数据。

以上，就是通过添加volatile关键字来解决可见性的问题，此外，volatile关键字除了解决可见性问题，还解决了有序性的问题，下面再来看看有序性。

2.3 有序性

在Java内存模型中，允许编译器和处理器对指令进行重排序，但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。

为什么需要重排序呢？ 主要是为了在不改变程序语义的前提下，尽可能的减少寄存器的读取、存储次数，充分复用寄存器的存储值。如:

① int a = 1;
② int b = 2;
③ int c = a+1;
  • 假设编译器没有重排序，那么①完成后需要与寄存器交互一次（存入），而③完成后又要与寄存器交互一次（取出）。
  • 如果编译器使用了重排序，执行的顺序会变成①③②，在①完成后，先不存入主存，而是让③完成处理后，再存入主存，这样就减少了一次取出操作了。

这样的重排序在单线程的情况下并不会出问题，因为其最终结果都是正确的，但在多线程的环境下，这种重排序就可能导致线程不安全。如另一个线程需要读取a时，a因重排序而先不存入主存，此线程读取的数据已经不是最新值。

在Java里面，可以通过volatile关键字来通知编译器禁止对此变量进行重排序。

happens-before原则

Java内存模型具备一些先天的“有序性”，即不需要通过任何手段就能够得到保证的有序性，这个通常也称为 happens-before 原则。如果两个操作的执行次序无法从happens-before原则推导出来，那么它们就不能保证它们的有序性，虚拟机可以随意地对它们进行重排序。

1. 程序次序规则：

在一个线程内一段代码的执行结果是有序的。就是还会指令重排，但是随便它怎么排，结果是按照我们代码的顺序生成的不会变。

2. 管程锁定规则：

就是无论是在单线程环境还是多线程环境，对于同一个锁来说，一个线程对这个锁解锁之后，另一个线程获取了这个锁都能看到前一个线程的操作结果！(管程是一种通用的同步原语，synchronized就是管程的实现）

3. volatile变量规则：

就是如果一个线程先去写一个volatile变量，然后一个线程去读这个变量，那么这个写操作的结果一定对读的这个线程可见。

4. 线程启动规则：

在主线程A执行过程中，启动子线程B，那么线程A在启动子线程B之前对共享变量的修改结果对线程B可见。

5. 线程终止规则：

在主线程A执行过程中，子线程B终止，那么线程B在终止之前对共享变量的修改结果在线程A中可见。也称线程join()规则。

6. 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代码检测到中断事件的发生，可以通过Thread.interrupted()检测到是否发生中断。

7. 传递性规则：

这个简单的，就是happens-before原则具有传递性，即hb(A, B) ， hb(B, C)，那么hb(A, C)。

8. 对象终结规则：

这个也简单的，就是一个对象的初始化的完成，也就是构造函数执行的结束一定 happens-before它的finalize()方法。

3 小结

本节的主要内容是围绕JVM的内存模型：

  • JVM的内存模型
    • 主存
    • 线程工作线程
  • 三大性质
    • 原子性
      • 8个原子操作
    • 可见性
      • MESI（缓存一致性协议）
    • 有序性
      • happens-before原则
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