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Java Memory Model简称JMM, 是一系列的Java虚拟机平台对开发者提供的多线程环境下的内存可见性、是否可以重排序等问题的无关具体平台的统一的保证。(可能在术语上与Java运行时内存分布有歧义#xff0c;后者指堆、方法区、线程栈等内存…转载自 Java 内存模型 JMM 详解JMM简介
Java Memory Model简称JMM, 是一系列的Java虚拟机平台对开发者提供的多线程环境下的内存可见性、是否可以重排序等问题的无关具体平台的统一的保证。(可能在术语上与Java运行时内存分布有歧义后者指堆、方法区、线程栈等内存区域)。
并发编程有多种风格除了CSP(通信顺序进程)、Actor等模型外大家最熟悉的应该是基于线程和锁的共享内存模型了。在多线程编程中需要注意三类并发问题:
原子性可见性重排序
原子性涉及到一个线程执行一个复合操作的时候其他线程是否能够看到中间的状态、或进行干扰。典型的就是i的问题了两个线程同时对共享的堆内存执行操作而操作在JVM、运行时、CPU中的实现都可能是一个复合操作, 例如在JVM指令的角度来看是将i的值从堆内存读到操作数栈、加上一、再写回到堆内存的i这几个操作的期间如果没有正确的同步其他线程也可以同时执行可能导致数据丢失等问题。常见的原子性问题又叫竞太条件是基于一个可能失效的结果进行判断如读取-修改-写入。 可见性和重排序问题都源于系统的优化。
由于CPU的执行速度和内存的存取速度严重不匹配为了优化性能基于时间局部性、空间局部性等局部性原理CPU在和内存间增加了多层高速缓存当需要取数据时CPU会先到高速缓存中查找对应的缓存是否存在存在则直接返回如果不存在则到内存中取出并保存在高速缓存中。现在多核处理器越基本已经成为标配这时每个处理器都有自己的缓存这就涉及到了缓存一致性的问题CPU有不同强弱的一致性模型最强的一致性安全性最高也符合我们的顺序思考的模式但是在性能上因为需要不同CPU之间的协调通信就会有很多开销。
典型的CPU缓存结构示意图如下CPU的指令周期通常为取指令、解析指令读取数据、执行指令、数据写回寄存器或内存。串行执行指令时其中的读取存储数据部分占用时间较长所以CPU普遍采取指令流水线的方式同时执行多个指令, 提高整体吞吐率就像工厂流水线一样。读取数据和写回数据到内存相比执行指令的速度不在一个数量级上所以CPU使用寄存器、高速缓存作为缓存和缓冲在从内存中读取数据时会读取一个缓存行(cache line)的数据类似磁盘读取读取一个block。数据写回的模块在旧数据没有在缓存中的情况下会将存储请求放入一个store buffer中继续执行指令周期的下一个阶段如果存在于缓存中则会更新缓存缓存中的数据会根据一定策略flush到内存。
public class MemoryModel { private int count; private boolean stop; public void initCountAndStop() {count 1;stop false;} public void doLoop() { while(!stop) {count;}} public void printResult() {System.out.println(count);System.out.println(stop);}
}上面这段代码执行时我们可能认为count 1会在stop false前执行完成这在上面的CPU执行图中显示的理想状态下是正确的但是要考虑上寄存器、缓存缓冲的时候就不正确了, 例如stop本身在缓存中但是count不在则可能stop更新后再count的write buffer写回之前刷新到了内存。
另外CPU、编译器对于Java一般指JIT都可能会修改指令执行顺序例如上述代码中count 1和stop false两者并没有依赖关系所以CPU、编译器都有可能修改这两者的顺序而在单线程执行的程序看来结果是一样的这也是CPU、编译器要保证的as-if-serial(不管如何修改执行顺序单线程的执行结果不变)。由于很大部分程序执行都是单线程的所以这样的优化是可以接受并且带来了较大的性能提升。但是在多线程的情况下如果没有进行必要的同步操作则可能会出现令人意想不到的结果。例如在线程T1执行完initCountAndStop方法后线程T2执行printResult得到的可能是0, false, 可能是1, false, 也可能是0, true。如果线程T1先执行doLoop()线程T2一秒后执行initCountAndStop, 则T1可能会跳出循环、也可能由于编译器的优化永远无法看到stop的修改。
由于上述这些多线程情况下的各种问题多线程中的程序顺序已经不是底层机制中的执行顺序和结果编程语言需要给开发者一种保证这个保证简单来说就是一个线程的修改何时对其他线程可见因此Java语言提出了JavaMemoryModel即Java内存模型对于Java语言、JVM、编译器等实现者需要按照这个模型的约定来进行实现。Java提供了Volatile、synchronized、final等机制来帮助开发者保证多线程程序在所有处理器平台上的正确性。
在JDK1.5之前Java的内存模型有着严重的问题例如在旧的内存模型中一个线程可能在构造器执行完成后看到一个final字段的默认值、volatile字段的写入可能会和非volatile字段的读写重排序。
所以在JDK1.5中通过JSR133提出了新的内存模型修复之前出现的问题。
重排序规则
volatile和监视器锁
是否可以重排序第二个操作第二个操作第二个操作第一个操作普通读/普通写volatile读/monitor entervolatile写/monitor exit普通读/普通写Novoaltile读/monitor enterNoNoNovolatile写/monitor exitNoNo
其中普通读指getfield, getstatic, 非volatile数组的arrayload, 普通写指putfield, putstatic, 非volatile数组的arraystore。
volatile读写分别是volatile字段的getfield, getstatic和putfield, putstatic。
monitorenter是进入同步块或同步方法,monitorexist指退出同步块或同步方法。
上述表格中的No指先后两个操作不允许重排序如(普通写, volatile写)指非volatile字段的写入不能和之后任意的volatile字段的写入重排序。当没有No时说明重排序是允许的但是JVM需要保证最小安全性-读取的值要么是默认值要么是其他线程写入的64位的double和long读写操作是个特例当没有volatile修饰时并不能保证读写是原子的底层可能将其拆分为两个单独的操作。
final字段
final字段有两个额外的特殊规则
1.final字段的写入在构造器中进行以及final字段对象本身的引用的写入都不能和后续的构造器外的持有该final字段的对象的写入重排序。例如, 下面的语句是不能重排序的
x sharedRef; ...; i x.finalField
2.final字段的第一次加载不能和持有这个final字段的对象的写入重排序例如下面的语句是不允许重排序的
x sharedRef; ...; i x.finalField
内存屏障
处理器都支持一定的内存屏障(memory barrier)或栅栏(fence)来控制重排序和数据在不同的处理器间的可见性。例如CPU将数据写回时会将store请求放入write buffer中等待flush到内存可以通过插入barrier的方式防止这个store请求与其他的请求重排序、保证数据的可见性。可以用一个生活中的例子类比屏障例如坐地铁的斜坡式电梯时大家按顺序进入电梯但是会有一些人从左侧绕过去这样出电梯时顺序就不相同了如果有一个人携带了一个大的行李堵住了屏障则后面的人就不能绕过去了:)。另外这里的barrier和GC中用到的write barrier是不同的概念。
内存屏障的分类
几乎所有的处理器都支持一定粗粒度的barrier指令通常叫做Fence(栅栏、围墙)能够保证在fence之前发起的load和store指令都能严格的和fence之后的load和store保持有序。通常按照用途会分为下面四种barrier
LoadLoad Barriers
Load1; LoadLoad; Load2;
保证Load1的数据在Load2及之后的load前加载
StoreStore Barriers
Store1; StoreStore; Store2
保证Store1的数据先于Store2及之后的数据 在其他处理器可见
LoadStore Barriers
Load1; LoadStore; Store2
保证Load1的数据的加载在Store2和之后的数据flush前
StoreLoad Barriers
Store1; StoreLoad; Load2
保证Store1的数据在其他处理器前可见(如flush到内存)先于Load2和之后的load的数据的加载。StoreLoad Barrier能够防止load读取到旧数据而不是最近其他处理器写入的数据。
几乎近代的所有的多处理器都需要StoreLoadStoreLoad的开销通常是最大的并且StoreLoad具有其他三种屏障的效果所以StoreLoad可以当做一个通用的(但是更高开销的)屏障。
所以利用上述的内存屏障可以实现上面表格中的重排序规则
需要的屏障第二个操作第二个操作第二个操作第二个操作第一个操作普通读普通写volatile读/monitor entervolatile写/monitor exit普通读LoadStore普通读StoreStorevoaltile读/monitor enterLoadLoadLoadStoreLoadLoadLoadStorevolatile写/monitor exitStoreLoadStoreStore
为了支持final字段的规则需要对final的写入增加barrier
x.finalField v; StoreStore; sharedRef x;
插入内存屏障
基于上面的规则可以在volatile字段、synchronized关键字的处理上增加屏障来满足内存模型的规则
volatile store前插入StoreStore屏障所有final字段写入后但在构造器返回前插入StoreStorevolatile store后插入StoreLoad屏障在volatile load后插入LoadLoad和LoadStore屏障monitor enter和volatile load规则一致monitor exit 和volatile store规则一致。
HappenBefore
前面提到的各种内存屏障对应开发者来说还是比较复杂底层因此JMM又可以使用一系列HappenBefore的偏序关系的规则方式来说明要想保证执行操作B的线程看到操作A的结果无论A和B是否在同一个线程中执行), 那么在A和B之间必须要满足HappenBefore关系否则JVM可以对它们任意重排序。
HappenBefore规则列表
HappendBefore规则包括
程序顺序规则: 如果程序中操作A在操作B之前那么同一个线程中操作A将在操作B之前进行监视器锁规则: 在监视器锁上的锁操作必须在同一个监视器锁上的加锁操作之前执行volatile变量规则: volatile变量的写入操作必须在该变量的读操作之前执行线程启动规则: 在线程上对Thread.start的调用必须在该线程中执行任何操作之前执行线程结束规则: 线程中的任何操作都必须在其他线程检测到该线程已经结束之前执行中断规则: 当一个线程在另一个线程上调用interrupt时必须在被中断线程检测到interrupt之前执行传递性: 如果操作A在操作B之前执行并且操作B在操作C之前执行那么操作A在操作C之前执行。其中显示锁与监视器锁有相同的内存语义原子变量与volatile有相同的内存语义。锁的获取和释放、volatile变量的读取和写入操作满足全序关系所以可以使用volatile的写入在后续的volatile的读取之前进行。
可以利用上述HappenBefore的多个规则进行组合。
例如线程A进入监视器锁后在释放监视器锁之前的操作根据程序顺序规则HappenBefore于监视器释放操作而监视器释放操作HappenBefore于后续的线程B的对相同监视器锁的获取操作获取操作HappenBefore与线程B中的操作。
