Java 内存模型 JMM

JMM，Java Memory Model，Java 内存模型。

什么是内存模型，要他何用？

假定一个线程为变量var赋值： var = 3;，内存模型要回答的问题是：在什么条件下，读取变量var的线程可以看到 3这个值？

如果缺少了同步，线程可能无法看到其他线程操作的结果。导致这种情况的原因可以有：编译器生成指令的次序可以不同于源代码的“显然”版本，编译器还会把变量存储在寄存器而不是内存中；处理器可以乱序或并行执行指令；缓存会改变写入提交到主存得到变量的次序；存储在处理器本地缓存中的变量对其他处理器不可见 等等。

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。数据依赖分下列三种类型：

名称　　　代码示例　　　　　说明
写后读　　a = 1;b = a;　　　写一个变量之后，再读这个位置。
写后写　　a = 1;a = 2;　　　写一个变量之后，再写这个变量。
读后写　　a = b;b = 1;　　　读一个变量之后，再写这个变量。

上面三种情况，只要重排序两个操作的执行顺序，程序的执行结果将会被改变。

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。

as-if-serial语义

as-if-serial语义的意思指：不管怎么重排序，（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。

数据竞争

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

顺序一致性模型

操作执行的顺序是唯一的，就是它们出现在程序中的顺序，这与执行它们的处理器无关；变量每一次读操作，都能得到执行序列上这个变量最新的写入值，无论这是哪个处理器写入的。这个是一个理想的模型，JMM是不支持的。

Java 语言规范规定了 JVM 要维护 内部线程类似顺序语意（within-thread as-if-serial semantics）：只要程序的最终结果等同于它在严格的顺序环境中执行的结果，那么上述所有的行为都是允许的。

JMM 规定了 JVM 的一种最小保证：什么时候写入一个变量会对其他线程可见。

Java 内存模型

Java 内存模型的定义是通过动作（actions）的形式进行描述的，所谓动作，包括变量读和写、监视器加锁和释放锁、线程的启动和拼接（join）。

JMM为所有程序内部的动作定义了一个叫 happens-before 的偏序关系（偏序关系是反对称的、自反的和传递的关系）。如果操作 A 和 B 满足 happens-before 关系，那么执行动作 B 的线程就可以看到动作 A 的结果；如果两个操作之间没有 happens-before 关系，那么 JVM 就可以对它们随意地重排序。

happens-before法则

• 程序次序法则：线程中的每个动作 A 都 happens-before 于该线程中的每一个动作 B，其中，在程序中，所有的动作 B 都出现在动作 A 之后。（注：此法则只是要求遵循 as-if-serial语义）

• 监视器锁法则：对一个监视器锁的解锁 happens-before 于每一个后续对同一监视器锁的加锁。（显式锁的加锁和解锁有着与内置锁，即监视器锁相同的存储语意。）

• volatile变量法则：对 volatile 域的写入操作 happens-before 于每一个后续对同一域的读操作。（原子变量的读写操作有着与 volatile 变量相同的语意。）（volatile变量具有可见性和读写原子性。）

• 线程启动法则：在一个线程里，对 Thread.start 的调用会 happens-before 于每一个启动线程中的动作。

• 线程终止法则：线程中的任何动作都 happens-before 于其他线程检测到这个线程已终结，或者从 Thread.join 方法调用中成功返回，或者 Thread.isAlive 方法返回false。

• 中断法则法则：一个线程调用另一个线程的 interrupt 方法 happens-before 于被中断线程发现中断（通过抛出InterruptedException， 或者调用 isInterrupted 方法和 interrupted 方法）。

• 终结法则：一个对象的构造函数的结束 happens-before 于这个对象 finalizer 开始。

• 传递性：如果 A happens-before 于 B，且 B happens-before 于 C，则 A happens-before 于 C。

对于final域，编译器和处理器要遵守两个重排序规则：

• 在构造函数内对一个final域的写入，与随后把这个被构造对象的引用赋值给一个引用变量，这两个操作之间不能重排序。
• 初次读一个包含final域的对象的引用，与随后初次读这个final域，这两个操作之间不能重排序。

注意：

• 关于 final 域的内存语义，是在没有 this 引用逸出的前提下的。
• 对于依赖监视器锁法则的内存可见性，对共享变量变量的所有访问都必须在同步的情况下才有意义。

对于Java编程来说，需要关注的法则有：程序次序法则、监视器锁法则、volatile变量法则，还有 final 域的规则。

final 域与 this 引用逸出

this 引用逸出的举例：

  public class ThisEscape {
       private final int a; // final 域

       public ThisEscape( int init, List<Object> list) {
             // 对 final 域赋值, JMM 不保证这个写之后有 store barrier
             a = init;

             // 把 this 添加到一个外部集合，导致 this 引用逸出。
             // 其他线程通过这个逸出的引用看到的 a 可能仍然是未初始化的值。
            list.add( this );

             // ...  其他构造语句

             // 构造函数结束:   store barrier; return;
      }
}

JMM 对 final 域的保证可理解为它只会在构造函数返回之前插入一个存储屏障，保证构造函数内对 final 域的赋值在构造函数返回之前写到主存。

happens-before 举例说明

  public class JMM {
       int a ;
       int b ;
       int multi ;
       volatile int sum ; //

       public void order() {
             int c = 12;   // 1
             int d = 34;   // 2
             // 作为方法内的局部变量，c、d 只能被当前线程访问，不存在数据竞争；
             // 步骤 1 和 2 没有数据依赖，且它们之间没有限制重排序的操作，所以这两步之间 可以自由重排序。

             multi = c * d; // 3
             // 3 和 步骤 1、2 之间有数据依赖，所以 3 和 1、2 组成的整体之间不能重排序。
             // 1、2 可能重排序了，所以说是整体。

             sum = c + d;  // 5
             // insert store barrier here   !!!!!
             // 步骤 5 与 3 之间虽然没有数据依赖，但 volatile 的语义禁止两者之间的重排序。
             // 执行完 store barrier 之后，其他线程都可以看到当前线程写入 sum 和 multi 的最新值。

             int doubleTemp = multi * 2;  // 5
             // multi 是对象的属性，是共享变量，
             // 如果有另一个线程进行写操作，由于对 multi 的访问没有进行同步，与当前线程的读操作存在数据竞争。
             // 所以在多线程的情况下步骤 5 的执行结果是不确定的。

             // insert load barrier here   !!!!!
             // volatile 变量的读操作之前会作废当前 CPU 的本地缓存，后续变量的访问需要重新从主存读取。
             int doubleSum = sum * 2;  // 8
             // 由于 volatile 变量不具有互斥性，且当前方法没有使用锁进行同步，
             // 所以步骤 8 读到的 sum 的值可能不是 步骤 5 写入的值（被其他线程修改了）。
      }
}

深入理解 Java 内存模型是理解 JUC 包和编写高性能并发程序的基础。

参考资料

• 深入理解Java内存模型 序列文章
• 《Java 并发编程实践》
• 内存屏障/栅栏 （ Memory Barriers / Fences ）