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Java内存模型

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理解Java内存模型（JMM）的原理、执行顺序和执行过程需要一步一步地分解其核心概念。JMM是设计用来解决多线程程序中内存一致性问题的，它定义了线程如何以及何时可以看到由其他线程修改过的共享变量的值，以及如何同步对共享变量的访问。

1. 内存模型的基本原理

Java内存模型（JMM）的基本原理可以从两个主要方面来理解：共享内存和内存操作的不确定性。

1. 共享内存

在Java中，所有线程都访问同一个物理内存，这包括存放对象实例、类的元数据等。但是，每个线程也有自己的工作内存（对应于硬件的寄存器和缓存），用于存储线程私有的数据，以及缓存共享内存中的变量副本。

工作方式

  • 当线程执行操作时，它们可能会将共享变量从主内存复制到自己的工作内存中。
  • 线程对变量的所有操作（读取、修改等）都是在工作内存中进行的。
  • 变更后的变量可能会被刷新回主内存，但这个操作不是即时的。

影响

  • 线程隔离性: 由于线程可以在本地内存中存储私有拷贝，一个线程对变量的修改可能不会立即对其他线程可见。
  • 数据不一致: 这可能导致数据不一致的问题，尤其是在多线程环境中，不同线程可能有不同的数据视图。

2. 内存操作的不确定性

不确定性主要由以下几个方面引起：

编译器优化

  • 编译器为了优化性能，可能会重排程序中的指令顺序。
  • 这种重排是在不改变单线程程序语义的前提下进行的，但在多线程环境中可能会引发问题。

处理器优化

  • 现代处理器为了提高执行效率，会采用指令重排和数据预取等策略。
  • 处理器可能会更改操作的实际执行顺序，这同样会在多线程环境中导致问题。

运行时优化

  • Java虚拟机(JVM)在运行时也会进行一些优化，如即时编译（JIT）。
  • 这些优化同样可能改变代码的执行顺序。

影响

  • 可见性问题: 由于这些优化，线程A对共享变量的修改可能不会及时反映到线程B的视角。
  • 顺序性问题: 操作的执行顺序可能与代码顺序不同，导致意料之外的行为。

2. 执行顺序

Java内存模型（JMM）通过定义几个关键的执行顺序原则来确保在多线程环境中的内存一致性和顺序性。这些原则有助于了解线程间如何安全地交换和同步数据。

1. 程序次序规则（Program Order Rule）

定义

  • 在Java内存模型中，程序次序规则指的是在单个线程内，代码的执行顺序遵循源代码中的顺序（称为Sequential Consistency）。
  • 简而言之，一个线程内部的操作是顺序发生的。

影响

  • 这个规则确保了单线程内的操作逻辑符合程序员的预期。
  • 但需要注意的是，这个规则仅在单个线程的上下文中有效，不涉及多线程间的操作顺序。

2. 锁定规则（Locking Rule）

定义

  • 在多线程环境中，对于同一个锁的解锁操作，happens-before于后续对这个锁的加锁操作。
  • 这意味着所有在锁释放之前的操作，对于接下来获得这个锁的线程来说是可见的。

影响

  • 这保证了同一个锁保护的临界区内的操作对于所有线程是一致的。
  • 锁机制是同步多个线程间操作的一种主要手段，确保了操作的原子性和可见性。

3. volatile变量规则（Volatile Variable Rule）

定义

  • 对于volatile变量的写操作，happens-before于后续对这个变量的读操作。
  • 这意味着当一个线程写入一个volatile变量后，其他线程读取这个变量时能看到最新的值。

影响

  • 这个规则确保了volatile变量的可见性。
  • volatile变量是一种轻量级的同步机制，常用于状态标记和确保可见性，但不涉及复合操作的原子性。

4. 传递性（Transitivity）

定义

  • 如果操作A happens-before操作B，操作B happens-before操作C，那么操作A happens-before操作C。
  • 这是一种传递关系，帮助建立更复杂的happens-before链。

影响

  • 这个原则在构建复杂的同步策略时非常重要。
  • 它帮助保证了多个操作间的顺序性和可见性，确保数据的一致性。

3. 执行过程

Java内存模型（JMM）在处理多线程环境中的读写操作时遵循特定的原则以确保数据的一致性和顺序性。

1. 写操作

1. 可见性

  • 问题: 在多线程环境中，一个线程对共享变量的修改可能不会立即对其他线程可见。这可能导致其他线程读取到过时的数据。

  • 解决方案:

    • volatile关键字: 保证对变量的写操作对其他线程立即可见。当一个变量被声明为volatile，任何对它的写操作都会立即被刷新到主内存中。
    • synchronized块或锁: 确保在释放锁之前，对共享变量的所有修改都会被刷新到主内存中，并且锁的获取会导致本地内存中的变量副本失效，从而在访问时从主内存中重新读取。

2. 顺序性

  • 问题: 编译器和处理器可能会对操作进行重排，这可能导致写操作的执行顺序与代码中的顺序不同。

  • 解决方案:

    • synchronized块或锁: 保证锁定同一监视器的所有操作都是顺序的。
    • volatile关键字: 对于volatile变量的写操作，不允许与前面的读写操作重排序。

2. 读操作

1. 读取最新数据

  • 问题: 确保在读取共享变量时，能够获取到最新的数据，特别是在其他线程可能已经修改了这些数据的情况下。

  • 解决方案:

    • volatile关键字: 读取volatile变量时，总是从主内存中获取最新的值。
    • synchronized块或锁: 进入synchronized块或获取锁时，清空本地内存的副本，从主内存中重新读取共享变量的值。

2. 顺序性

  • 问题: 保证读操作不会出现在它应该发生之后的写操作之前。

  • 解决方案:

    • happens-before原则: 按照JMM中定义的happens-before原则，保证了正确的读写顺序。
    • 锁: 通过锁机制来保证当一个线程在读取共享数据时，其他线程不会同时对这些数据进行写操作。

4. happens-before关系

在Java内存模型（JMM）中，happens-before关系是一个基本概念，用于确保内存的一致性和线程间的正确通信。理解happens-before关系对于编写并发程序是至关重要的。

1. happens-before关系的定义

  • 核心概念: 如果一个操作A happens-before另一个操作B，那么操作A产生的影响（如数据的修改）对操作B是可见的。
  • 时间顺序: 这并不意味着操作A在时间上一定要先于操作B发生，而是保证了逻辑上的先后顺序。

2. happens-before关系的重要性

  • 数据一致性: 它确保在一个线程中对共享变量的写操作对其他线程来说是可见的。
  • 防止重排序: 编译器和处理器可能会对指令进行重排序以优化性能，happens-before关系确保了即使发生重排序，数据一致性和线程安全不会受到影响。

3. happens-before规则的具体实例

  • 程序次序规则: 在同一个线程中，按照程序控制流（程序的顺序执行）的顺序，前一个操作happens-before于后一个操作。
  • 锁定规则: 对一个锁的解锁happens-before于随后对这个锁的加锁。
  • volatile变量规则: 对一个volatile字段的写操作happens-before于后续对这个字段的读操作。
  • 线程启动规则: 对线程的start()的调用happens-before于该线程的每个动作。
  • 线程终止规则: 线程中的所有操作happens-before于其他线程检测到这个线程已经终止的动作，或者从Thread.join()方法成功返回的动作。
  • 线程中断规则: 对线程interrupt()的调用happens-before于被中断线程检测到中断事件的发生。
  • 对象构造规则: 一个对象的构造函数执行结束happens-before于这个对象的finalize()方法。

4. happens-before的传递性

  • 传递规则: 如果操作A happens-before操作B，操作B happens-before操作C，那么可以得出操作A happens-before操作C。

5. 同步和锁

在Java中，同步和锁是实现线程安全和协调多线程间交互的关键机制。这些机制基于Java内存模型（JMM）的原则来确保多线程环境下的一致性和可见性。

1. synchronized

基本工作原理

  • 互斥锁: synchronized提供了一种互斥机制，确保同一时刻只有一个线程可以执行同步块或方法中的代码。
  • 内存屏障: 当线程进入或退出同步块时，会自动设置或清除内存屏障，确保在同步块内部的所有内存操作对其他线程是可见的。

应用场景

  • 方法同步: 可以通过在方法声明上添加synchronized关键字来同步整个方法。
  • 块同步: 也可以同步代码块，只需指定一个锁对象。

影响

  • 顺序性保证: synchronized保证了块内的操作顺序与程序中的顺序相同。
  • 可见性保证: 确保当线程释放锁时，其在同步块内的所有变更都对其他线程可见。

2. Locks and Other Concurrency Constructs

ReentrantLock

  • 特性: ReentrantLock是一种显式锁，提供了比synchronized更细粒度的锁控制。
  • 灵活性: 允许尝试非阻塞地获取锁、尝试定时获取锁以及中断锁获取操作。
  • 重入性: 支持重入，即线程可以重复获取已经持有的锁。

其他并发工具

  • ReadWriteLock: 允许多个线程同时读取共享数据，但写入时需要独占访问。
  • CountDownLatch, CyclicBarrier, Semaphore等: 提供了更复杂的线程协调机制。

基于JMM的线程安全性

  • 这些工具都是在JMM的原则基础上设计的，确保了跨线程的内存可见性和操作的原子性。
  • 它们提供了不同的策略和机制来管理线程间的协作，同时保持数据的一致性和完整性。

6. 总结

理解JMM的关键在于理解内存操作在多线程环境中的不确定性，以及如何通过同步机制来保证操作的可见性、原子性和顺序性。JMM通过定义happens-before关系来保证内存的一致性，这是保障多线程程序正确运行的基石。

转载自:https://juejin.cn/post/7310412286710595635
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