java并发编程之JMM内存模型

2021年 12月 29日 652点热度 0人点赞 0条评论

JMM与happen-before

为什么会存在“内存可见性”问题

下图为x86架构下CPU缓存的布局，即在一个CPU 4核下，L1、L2、L3三级缓存与主内存的布局。每个核上面有L1、L2缓存，L3缓存为所有核共用。

因为存在CPU缓存一致性协议，例如MESI，多个CPU核心之间缓存不会出现不同步的问题，不会有“内存可见性”问题。

缓存一致性协议对性能有很大损耗，为了解决这个问题，又进行了各种优化。例如，在计算单元和L1之间加了Store Buffer、Load Buffer（还有其他各种Buffer），如下图：

L1、L2、L3和主内存之间是同步的，有缓存一致性协议的保证，但是Store Buffer、Load Buffer和L1之间却是异步的。向内存中写入一个变量，这个变量会保存在Store Buffer里面，稍后才异步地写入L1中，同时同步写入主内存中。

操作系统内核视角下的CPU缓存模型：

多CPU，每个CPU多核，每个核上面可能还有多个硬件线程，对于操作系统来讲，就相当于一个个的逻辑CPU。每个逻辑CPU都有自己的缓存，这些缓存和主内存之间不是完全同步的。

对应到Java里，就是JVM抽象内存模型，如下图所示：

重排序与内存可见性的关系

Store Buffer的延迟写入是重排序的一种，称为内存重排序（Memory Ordering）。除此之外，还有编译器和CPU的指令重排序。

所以，重排序分为以下几种：

编译器重排序：对于没有先后依赖关系的语句，编译器可以重新调整语句的执行顺序
CPU指令重排序：在指令级别，让没有依赖关系的多条指令并行
CPU内存重排序：CPU有自己的缓存，指令的执行顺序和写入主内存的顺序不完全一致

在三种重排序中，第三类就是造成“内存可见性”问题的主因。

内存屏障

为了禁止编译器重排序和CPU重排序，在编译器和CPU层面都有对应的指令，也就是内存屏障（Memory Barrier）。这也正是JMM和happen-before规则的底层实现原理。

编译器的内存屏障，只是为了告诉编译器不要对指令进行重排序。当编译完成之后，这种内存屏障就消失了，CPU并不会感知到编译器中内存屏障的存在。

而CPU的内存屏障是CPU提供的指令，可以由开发者显示调用。

内存屏障是很底层的概念，对于 Java 开发者来说，一般用volatile关键字就足够了。但从JDK 8开始，Java在Unsafe类中提供了三个内存屏障函数，如下所示。

public final class Unsafe {
  // ...
  public native void loadFence();
  public native void storeFence();
  public native void fullFence();
  // ...
}

在理论层面，可以把基本的CPU内存屏障分成四种：

LoadLoad：禁止读和读的重排序
StoreStore：禁止写和写的重排序
LoadStore：禁止读和写的重排序
StoreLoad：禁止写和读的重排序

Unsafe中的方法：

loadFence=LoadLoad+LoadStore
storeFence=StoreStore+LoadStore
fullFence=loadFence+storeFence+StoreLoad

as-if-serial语义

重排序的原则是什么？什么场景下可以重排序，什么场景下不能重排序呢？

单线程程序的重排序规则

无论什么语言，站在编译器和CPU的角度来说，不管怎么重排序，单线程程序的执行结果不能改变，这就是单线程程序的重排序规则。

即只要操作之间没有数据依赖性，编译器和CPU都可以任意重排序，因为执行结果不会改变，代码看起来就像是完全串行地一行行从头执行到尾，这也就是as-if-serial语义。

对于单线程程序来说，编译器和CPU可能做了重排序，但开发者感知不到，也不存在内存可见性问题。

多线程程序的重排序规则

编译器和CPU的这一行为对于单线程程序没有影响，但对多线程程序却有影响。

对于多线程程序来说，线程之间的数据依赖性太复杂，编译器和CPU没有办法完全理解这种依赖性并据此做出最合理的优化。

编译器和CPU只能保证每个线程的as-if-serial语义。

线程之间的数据依赖和相互影响，需要编译器和CPU的上层来确定。

上层要告知编译器和CPU在多线程场景下什么时候可以重排序，什么时候不能重排序。

happen-before是什么

使用happen-before描述两个操作之间的内存可见性。

java内存模型（JMM）是一套规范，在多线程中，一方面，要让编译器和CPU可以灵活地重排序；另一方面，要对开发者做一些承诺，明确告知开发者不需要感知什么样的重排序，需要感知什么样的重排序。然后，根据需要决定这种重排序对程序是否有影响。如果有影响，就需要开发者显示地通过volatile、synchronized等线程同步机制来禁止重排序。

关于happen-before：

如果A happen-before B，意味着A的执行结果必须对B可见，也就是保证跨线程的内存可见性。A happen before B不代表A一定在B之前执行。因为，对于多线程程序而言，两个操作的执行顺序是不确定的。happen-before只确保如果A在B之前执行，则A的执行结果必须对B可见。定义了内存可见性的约束，也就定义了一系列重排序的约束。

基于happen-before的这种描述方法，JMM对开发者做出了一系列承诺：

单线程中的每个操作，happen-before对应该线程中任意后续操作（也就是 as-if-serial语义保证）
对volatile变量的写入，happen-before对应后续对这个变量的读取
对synchronized的解锁，happen-before对应后续对这个锁的加锁

JMM对编译器和CPU 来说，volatile变量不能重排序；非volatile变量可以任意重排序。

happen-before的传递性

除了这些基本的happen-before规则，happen-before还具有传递性，即若A happen-before B，B happen-before C，则A happen-before C。

如果一个变量不是volatile变量，当一个线程读取、一个线程写入时可能有问题。那岂不是说，在多线程程序中，我们要么加锁，要么必须把所有变量都声明为volatile变量？这显然不可能，而这就得归功于happen-before的传递性。

class A {
  private int a = 0;
  private volatile int c = 0;
  public void set() {
    a = 5; // 操作1
    c = 1; // 操作2
   }
 
  public int get() {
    int d = c; // 操作3
    return a; // 操作4
   }
}

假设线程A先调用了set，设置了a=5；之后线程B调用了get，返回值一定是a=5。为什么呢？

操作1和操作2是在同一个线程内存中执行的，操作1 happen-before 操作2，同理，操作3 happen-before操作4。又因为c是volatile变量，对c的写入happen-before对c的读取，所以操作2 happen-before操作3。利用happen-before的传递性，就得到：

操作1 happen-before 操作2 happen-before 操作3 happen-before操作4。

所以，操作1的结果，一定对操作4可见。

class A {
  private int a = 0;
  private int c = 0;
  public synchronized void set() {
    a = 5; // 操作1
    c = 1; // 操作2
   }
 
  public synchronized int get() {
    return a;
   }
}

假设线程A先调用了set，设置了a=5；之后线程B调用了get，返回值也一定是a=5。

因为与volatile一样，synchronized同样具有happen-before语义。展开上面的代码可得到类似于下面的伪代码：

线程A：
  加锁;  // 操作1
  a = 5; // 操作2
  c = 1; // 操作3
  解锁;  // 操作4
线程B：
 
  加锁;  // 操作5
  读取a; // 操作6
  解锁;  // 操作7

根据synchronized的happen-before语义，操作4 happen-before 操作5，再结合传递性，最终就会得到：

操作1 happen-before 操作2……happen-before 操作7。所以，a、c都不是volatile变量，但仍然有内存可见性。

volatile关键字

64位写入的原子性（Half Write）

如，对于一个long型变量的赋值和取值操作而言，在多线程场景下，线程A调用set(100)，线程B调用get()，在某些场景下，返回值可能不是100。

public class MyClass {
  private long a = 0;
  // 线程A调用set(100)
  public void set(long a) {
    this.a = a;
   }
 
  // 线程B调用get()，返回值一定是100吗？
  public long get() {
    return this.a;
   }
}

因为JVM的规范并没有要求64位的long或者double的写入是原子的。在32位的机器上，一个64位变量的写入可能被拆分成两个32位的写操作来执行。这样一来，读取的线程就可能读到“一半的值”。解决办法也很简单，在long前面加上volatile关键字。

重排序：DCL问题

单例模式的线程安全的写法不止一种，常用写法为DCL（Double Checking Locking），如下所示：

public class Singleton {
  private static Singleton instance;
  public static Singleton getInstance() {
    if (instance == null) {
      synchronized(Singleton.class) {
        if (instance == null) {
          // 此处代码有问题
          instance = new Singleton();
         }
       }
     }
    return instance;
   }
}

上述的instance = new Singleton(); 代码有问题：其底层会分为三个操作：

分配一块内存
在内存上初始化成员变量
把instance引用指向内存

在这三个操作中，操作2和操作3可能重排序，即先把instance指向内存，再初始化成员变量，因为二者并没有先后的依赖关系。此时，另外一个线程可能拿到一个未完全初始化的对象。这时，直接访问里面的成员变量，就可能出错。这就是典型的“构造方法溢出”问题。

解决办法也很简单，就是为instance变量加上volatile修饰。

volatile的三重功效：64位写入的原子性、内存可见性和禁止重排序。

volatile实现原理

由于不同的CPU架构的缓存体系不一样，重排序的策略不一样，所提供的内存屏障指令也就有差异。

这里只探讨为了实现volatile关键字的语义的一种参考做法：

在volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。保证volatile写操作不会和之前的写操作重排序
在volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。保证volatile写操作不会和之后的读操作重排序
在volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障+LoadStore屏障。保证volatile读操作不会和之后的读操作、写操作重排序

具体到x86平台上，其实不会有LoadLoad、LoadStore和StoreStore重排序，只有StoreLoad一种重排序（内存屏障），也就是只需要在volatile写操作后面加上StoreLoad屏障。

JSR-133对volatile语义的增强

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）。

这也正体现了Java对happen-before规则的严格遵守。

final关键字

构造方法溢出问题

考虑下面的代码：

public class MyClass {
  private int num1;
  private int num2;
  private static MyClass myClass;
 
  public MyClass() {
    num1 = 1;
    num2 = 2;
   }
 
  /**
   * 线程A先执行write()
   */
  public static void write() {
    myClass = new MyClass();
   }
 
  /**
   * 线程B接着执行write()
   */
  public static void read() {
    if (myClass != null) {
      int num3 = myClass.num1;
           int num4 = myClass.num2;
     }
   }
}

num3和num4的值是否一定是1和2？

num3、num4不见得一定等于1，2。和DCL的例子类似，也就是构造方法溢出问题。

myClass = new MyClass()这行代码，分解成三个操作：