深入理解JVM内存模型 笔记

在并发编程中,我们需要处理两个关键问题:线程之间如何通信及线程之间如何同步(这里的线程是指并发执行的活动实体)。通信是指线程之间以何种机制来交换信息。在命令式编程中,线程之间的通信机制有两种:共享内存消息传递

Java并发采用的是共享内存模型,Java线程之间的通信总是隐式进行,整个通信过程对程序员完全透明。

Java线程之间的通信由Java内存模型(本文简称为JMM)控制,JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。

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(main memory)中,每个线程都有一个私有的本地内存(local memory),本地内存 中存储了该线程以读、写共享变量的副本。

本地内存是JMM的一个抽象概念,并不真实存在。它涵盖了缓存,写缓冲区,寄存器以及其他的硬件和编译器优化。

Java内存模型的作用主要是保证程序在正确同步的情况下不会因为程序优化(如重排序)而改变程序的运行结果。

重排序

在执行程序时为了提高性能,编译器和处理器常常会对指令做重排序。重排序分三种类型:

  1. 编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下,可以重新安 排语句的执行顺序。
  2. 指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术(Instruction-Level Parallelism,ILP)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机器指令的执行顺序。
  3. 内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读/写缓冲区,这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

上述的1属于编译器重排序,2和3属于处理器重排序。这些重排序都可能会导致多线程程序出现内存可见性问题。

  • 对于编译器重排序,JMM的编译器重排序规则会禁止 特定类型的编译器重排序(不是所有的编译器重排序都要禁止)。
  • 对于处理器重排序,JMM的处理器重排序规则会要求java编译器在生成指令序列时,插入特定类型的内存屏障(memory barriers,intel称之为memory fence)指令,通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序(不是所有的处理器重排序都要禁止)。

JMM属于语言级的内存模型,它确保在不同的编译器和不同的处理器平台之上,通过禁止特定类型的编译器重排序和处理器重排序,为程序员提供一致的内存可见性保证。

数据依赖性

如果两个操作访问同一个变量,且这两个操作中有一个为写操作,此时这两个操作之间就存在数据依赖性。

读后写、写后写、写后读

编译器和处理器在重排序时,会遵守数据依赖性,编译器和处理器不会改变存在数据依赖关系的两个操作的执行顺序。

但仅针对于在单个处理器中执行的指令序列和单个线程中执行的操作
as-if-serial 语义

as-if-serial语义的意思指:不管怎么重排序(编译器和处理器为了提高并行度),(单线程)程序的执行结果不能被改变。编译器,runtime和处理器都必须遵守 as-if-serial 语义。

为了遵守as-if-serial语义,编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序,因为这种重排序会改变执行结果。
但是,如果操作之间不存在数据依赖关系,这些操作就可能被编译器和处理器重排序。

happens-before

从JDK5开始,java使用新的JSR-133内存模型(本文除非特别说明,针对的都是JSR-133内存模型)。JSR-133使用happens-before的概念来阐述操作之间的内存可见性。在JMM中,如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见,那么这两个操作之间必须要存在happens-before关系。这里提到的两个操作既可以是在一个线程之内,也可以是在不同线程之间。

  • 程序顺序规则: 一个线程中的每个操作,happens-before于该线程中的任意后续操作。
  • 监视器锁规则: 对一个监视器的解锁,happens-before于随后对这个监视器的加锁。
  • volatile变量规则: 对一个volatile域的写,happens-before于任意后续对这个volatile域的读。
  • 传递性:如果A happens-before B,且 B happens-before C,那么 A happens-before C。

注意,两个操作之间具有 happens-before 关系,并不意味着前一个操作必须要在后一个操作之前执行! happens-before 仅仅要求前一个操作(执行的结果)对后一个操作可见,且前一个操作按顺序排在第二个操作之前(the first is visible to and ordered before the second)。

顺序一致性

当程序未正确同步时,就可能会存在数据竞争。java内存模型规范对数据竞争的定义如下:

  • 在一个线程中写一个变量,
  • 在另一个线程读同一个变量,
  • 而且写和读没有通过同步来排序。

JMM 对正确同步的多线程程序的内存一致性做了如下保证:
如果程序是正确同步的,程序的执行将具有顺序一致性(sequentiallyconsistent),即程序的执行结果与该程序在顺序一致性内存模型中执行结果相同。

处理器重排序与内存屏障指令

现代的处理器使用写缓冲区来临时保存向内存写入的数据。写缓冲区可以保证指令流水线持续运行,它可以避免由于处理器停顿下来等待向内存写入数据而产生的延迟。同时,通过以批处理的方式刷新写缓冲区,以及合并写缓冲区中对同一内存地址的多次写,可以减少对内存总线的占用。

虽然写缓冲区有这么多好处,但每个处理器上的写缓冲区,仅仅对它所在的处理器可见。这个特性会对内存操作的执行顺序产生重要的影响:处理器对内存的读写操作的执行顺序,不一定与内存实际发生的读/写操作顺序一致!

下面是常见处理器允许的重排序类型的列表:

Load-Load Load-Store Store-Store Store-Load 数据依赖
sparc- TSO N N Y N
x86 N N N Y
ia64 Y Y Y Y
PowerPC Y Y Y Y

从上表我们可以看出:常见的处理器都允许 Store-Load 重排序;常见的处理器都不允许对存在数据依赖的操作做重排序。

为了保证内存可见性,java 编译器在生成指令序列的适当位置会插入内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。JMM 把内存屏障指令分为下列四类:

屏障类型 指令示例 说明
LoadLoad Barriers Load1; LoadLoad; Load2 确保Load1数据的装载,之前于Load2 及所有后续装载指令的装载。
StoreStore Barriers Store1; StoreStore; Store2 确保Store1数据对其他处理器可见(刷新到内存),之前于Store2 及所有后续存储指令的存储。
LoadStore Barriers Load1; LoadStore; Store2 确保Load1数据装载,之前于Store2及所有后续的存储指令刷新到内存。
StoreLoad Barriers Store1; StoreLoad; Load2 确保Store1数据对其他处理器变得可见(指刷新到内存),之前于Load2及所有后续装载指令的装载。StoreLoad Barriers会使该屏障之前的所有内存访问指令(存储和装载指令)完成之后,才执行该屏障之后的内存访问指令。

StoreLoad Barriers是一个“全能型”的屏障,它同时具有其他三个屏障的效果。
现代的多处理器大都支持该屏障(其他类型的屏障不一定被所有处理器支持)。执行该屏障开销会很昂贵,因为当前处理器通常要把写缓冲区中的数据全部刷新到内存中(buffer fully flush)。

volatile

volatile 变量自身具有下列特性:

  • 可见性: 对一个volatile变量的读,总是能看到(任意线程)对这个volatile变量最后的写入。
  • 原子性: 对任意单个volatile变量的读/写具有原子性,但类似于volatile++这种复合操作不具有原子性。

在JSR-133之前的旧内存模型中,一个64位long/double型变量的读/写操作可以被拆分为两个32位的读/写操作来执行。从JSR-133内存模型开始 (即从JDK5开始),仅仅只允许把一个64位long/double型变量的写操作拆分为两个32位的写操作来执行,任意的读操作在JSR-133中都必须具有原子性(即 任意读操作必须要在单个读事务中执行)。

从内存语义的角度来说,volatile的写-读与锁的释放-获取有相同的内存效果:volatile写和锁的释放有相同的内存语义;volatile读与锁的获取有相同的内存语义。

JMM针对编译器制定的volatile重排序规则表:

从上表我们可以看出:

  • 当第二个操作是volatile写时,不管第一个操作时什么,都不能重排序。这个规则确保volatile写之前的操作不会被编译器重排序到volatile写之后。
  • 当第一个操作是volatile读时,不管第二个操作是什么,都不能重排序。这个规则确保volatile读之后的操作不会被编译器重排序到volatile 读之前。
  • 当第一个操作是 volatile 写,第二个操作是 volatile 读时,不能重排序。
volatile的内存语义

为了实现volatile的内存语义,编译器在生成字节码时,会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。
但是对于编译器来说,发现一个最优布置来最小化插入屏障的总数几乎不可能,为此,JMM采取保守策略。
下面是基于保守策略的JMM内存屏障插入策略:

  • 在每个 volatile 写操作的前面插入一个 StoreStore 屏障。
  • 在每个 volatile 写操作的后面插入一个 StoreLoad 屏障。
  • 在每个 volatile 读操作的后面插入一个 LoadLoad 屏障。
  • 在每个 volatile 读操作的后面插入一个 LoadStore 屏障。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
// ...
volatile int v1 = 1;
volatile int v2 = 2;
void readAndWrite() {
int i = v1; // 第一个volatile读
int j = v2; // 第二个volatile读
a = i + j; // 普通读写
v1=i+1; // 第一个volatile写
v2 = j * 2; // 第二个volatile写
}
//...

针对 readAndWrite()方法,编译器在生成字节码时可以做如下的优化:

锁释放和锁获取的内存语义:

  • 线程A释放一个锁,实质上是线程A向接下来将要获取这个锁的某个线程发出了(线程A对共享变量所做修改的)消息。
  • 线程B获取一个锁,实质上是线程B接收了之前某个线程发出的(在释放这个锁之前对共享变量所做修改的)消息。
  • 线程A释放锁,随后线程B获取这个锁,这个过程实质上是线程A通过主内存向线程B发送消息。