3.Java内存模型

在命令式编程中,线程之间的通信机制有两种:共享内存和消息传递。在共享内存的并发模型里,线程之间共享程序的公共状态,通过写-读内存中的公共状态进行隐式通信。在消息传递的并发模型里,线程之间没有公共状态,线程之间必须通过发送消息来显式进行通信。同步是指程序中用于控制不同线程间操作发生相对顺序的机制。在共享内存并发模型里,同步时显式进行的。程序员必须显式指定某个方法后某段代码需要在线程之间互斥执行。在消息传递的并发模型里,由于消息的发送必须在消息的接收之前,因此同步是隐式进行的。Java的并发采用的事共享内存模型。

在Java中,所有实例域、静态域和数组元素都存储在堆内存中,堆内存在线程之间共享。局部变量(Local Variables),方法定义参数和异常处理器参数(Exception Handler Parameters)不会在线程之间共享,它们不会有内存可见性问题,也不受内存模型的影响。

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/写内存变量的副本。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。

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指令,通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。

从Java 1.5开始,Java使用新的JSR-133内存模型。JSR-233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。

  • 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

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。

volatile写的内存语义如下:当写一个volatile变量时,JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量值刷新到主内存。

volatile读的内存语义如下:当读一个volatile变量时,JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。线程接下来将从主内存中读取共享变量。

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。

(意思是,包含使用包含fianl域的对象的引用时,其final域一定是完全初始化了的)

写final域的重排序规则禁止把final域的写重排序到构造函数之外。这个规则的实现包括下面两个方面:

  • JMM禁止编译器把final域的写重排序到构造函数之外
  • 编译器会在fianl域的写之后,构造函数return之前,插入一个StoreStore屏障。这个屏障禁止处理器把final域的写重排序到构造函数之外。

写final域的重排序规则可以确保:在对象引用为任意线程可见之前,对象的final域已经被正确初始化过了,而普通域不具有这个保障。

读final域的重排序规则是,在一个线程中,初次读对象引用与初次读该对象包含的final域,JMM禁止处理器重排序这两个操作(注意,这个规则仅仅针对处理器)。编译器在读final域操作的前面插入一个LoadLoad屏障。

初次读对象引用与初次读该对象包含的final域,这两个操作之间存在间接依赖关系。读final域的重排序规则可以确保:在读一个对象的final域之前,一定会先读包含这个fianl域的对象的引用。

对于final引用类型,写final域的重排序规则对编译器和处理器增加了如下约束:在构造函数内对一个fianl引用的对象成员域的写入,与随后在构造函数外把这个被构造对象的引用赋给一个引用变量,这两个操作之间不能重排序。

写final域的重排序规则可以确保:在引用变量为任意线程可见之前,该引用变量指向的对象的final域已经在构造函数中被正确初始化过了。其实,要得到这个效果,还需要一个保证:在构造函数内部,不能让这个被构造对象的引用为其他线程所见,也就是对象引用不能在构造函数“逸出”。

《JSR-133: Java Memory Model and Thread Specification》定义了如下happens-before规则:

  • 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,B happens-before C,那么A happens-before C
  • start()规则:如果线程A执行操作ThreadB.start()启动线程B,那么A线程的ThreadB.start()操作happens-before于线程B中的任意操作。
  • join()规则:如果线程A执行操作ThreadB.join()并成功返回,那么线程B中的任意操作happens-before于线程A从ThreadB.join()操作成功返回。

JVM在类的初始化阶段(即在Class被加载后,且被线程使用之前),会执行类的初始化。在执行类的初始化期间,JVM回去获取一个锁。这个锁可以同步多个线程对同一个类的初始化。

Java语言规范规定,对于每一个类或接口C,都有一个唯一的初始化锁LC与之对应。从C到LC的映射,由JVM的具体实现去自由实现。JVM在类初始化期间会获取这个初始化锁,并且每个线程至少获取一次锁来确保这个类已经被初始化过了。

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