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Java并发中的内存模型

主内存与工作内存

Java内存模型的主要目标是定义程序中各个变量的访问规则,即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样的底层细节。此处的变量包括实例变量、静态字段和构成数组对象的元素,但不包括局部变量与方法参数,因为局部变量与方法参数是线程私有的,不会被共享,不会存在竞争问题。

Java内存模型规定了所有变量都存储在主内存中。每条线程还有自己的工作内存,线程的工作内存中保存了被该线程使用到的变量的主内存副本拷贝,线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行,而不能直接读写主内存中的变量。不同线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量,线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成,线程、主内存、工作内存三者之间的关系如下图:

内存间交互操作

主内存与工作内存之间具体的交互协议,即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步回主内存之类的实现细节,Java内存模型中定义了8种操作来完成,虚拟机实现时必须保证每一种操作都是原子的、不可再分的。8种操作如下:

  • lock(锁定) 作用于主内存的变量,把一个变量标识为一条线程独占状态。

  • unlock(解锁) 作用于主内存的变量,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。

  • read(读取) 作用于主内存的变量,把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存,以便随后的load操作使用。

  • load(载入) 作用于工作内存的变量,把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中。

  • use(使用) 作用于工作内存的变量,把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎,每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。

  • assign(赋值) 作用于工作内存的变量,把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量,每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。

  • store(存储) 作用于工作内存的变量,把工作内存中一个变量的值传递到主内存中,以便随后的write操作使用。

  • write(写入)

    作用于主内存的变量,把store操作从工作内存中得到的变量值放入主内存的变量中。

Java内存模型规定在执行上面的8种基本操作时必须满足下面的规则:

  • 不允许read和load、store和write操作之一单独出现,即不允许一个变量从主内存读取了但工作内存不接受,或者从工作内存发起了回写但主内存不接受的情况出现。

  • 不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作,即变量在工作内存中改变了之后必须把改变化同步会主内存。

  • 不允许一个线程无原因地把数据从线程的工作内存同步回主内存中。

  • 一个新的变量只能只能在主内存中“诞生”,不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化的变量,也就是对一个变量实施use、store操作之前,必须要先执行过了assign和load操作。

  • 一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作,但lock操作可以被同一条线程重复执行多次,多次执行lock后,只有执行相同次数的unlock操作,变量才会被解锁。

  • 如果对一个变量执行lock操作,那将会清空工作内存中此变量的值,在执行引擎使用这个变量前,需要重新执行load或者assign操作初始化变量的值。

  • 如果一个变量事先没有被lock操作锁定,那就不允许对它执行unlock操作,也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。

  • 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。

volatile型变量的特殊规则

当一个变量定义为volatile之后,这个变量具备两种特性。

第一个是保证此变量对所有线程的可见性。这里的“可见性”是指当一条线程修改了这个变量的值,新值对于其他线程来说是可以立即得知的。普通变量的值在线程间传递均需要通过主内存来完成,所以普通变量不能做到这一点。但这并不能保证Java操作的原子性,所以在不符合以下两条规则的运算场景中,仍然需要通过加锁来保证原子性。

  1. 运算结果并不依赖变量的当前值,或者能够确保只有单一的线程修改变量的值。

  2. 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束。

第二个是禁止指令重排序优化,普通变量仅仅会保证在该方法执行的过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果,而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。

原子性、可见性与有序性

原子性由Java内存模型来直接保证,能够保证原子性的操作有read、load、assign、use、store和write。如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证,可以使用lock和unlock操作来满足这种需求。

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内存模型是通过在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这种依赖主内存作为传递媒介的方式来实现可见性的。

有序性,如果在本线程内观察,所有的操作都是有序的,即线程内表现为串行;如果在一个线程中观察另一个线程,所有的操作都是无序的,即指令重排序现象和工作内存与主内存同步延迟现象。

先行发生原则

先行发生是Java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系,如果说操作A先行发生与操作B,其实就是说在发生操作B之前,操作A产生的影响能被操作B观察到,“影响”包括修改了内存中共享变量的值、发送了消息、调用了方法等。在Java内存模型中有一些“天然的”先行发生关系,这些先行发生关系无需任何同步器协助就已经存在,可以在编码中直接使用。这些关系如下:

  • 程序次序规则

    在一个线程内,按照程序代码顺序,书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。准确的说,应该是控制流顺序而不是程序代码顺序,因为要考虑分支、循环等结构。

  • 管程锁定规则

    一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。这里必须是同一个锁。

  • 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,后面指的是时间上的先后顺序。

  • 线程启动规则

    Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作。

  • 线程终止规则

    线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测,可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值等手段检测到线程已经终止执行。

  • 线程中断规则

    对线程interrupt()方法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Thread.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,那就可以得出操作A先行发生于操作C的结论。

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