Java 內存模型_1

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title: Java 內存模型_1
date: 2017-01-15 17:11:02
tags: [JMM]
categories: [Programming,Java]
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概述

本文記錄 Java 中的內存模型的基礎部分1。
本篇做爲學習 Java 內存模型基礎部分的筆記,加上些許本身的理解和解釋.

爲何須要理解 Java 內存模型

結論:併發產生的內存可見性問題.

併發編程中的兩個關鍵問題:

• 線程之間如何通行(以何種機制來交換信息)
• 線程之間如何同步

已有的通訊機制:

• 共享內存: 線程之間共享程序的公共狀態,線程之間經過讀寫內存中的公共狀態來隱式進行通訊.
• 消息傳遞: 在這種模型中,線程之間沒有公共狀態,線程之間必須經過發送消息顯式地通訊.

同步,指的是控制不一樣線程之間操做發生的相對順序的機制:

• 在共享內存模型中,程序員必須顯式的指定某個方法或者某段代碼須要在線程之間互斥執行.
• 在消息傳遞的模型裏,因爲消息的發送必須在消息的接收以前,所以,同步是隱式進行的.

java 採用的是共享內存模型,而 java 線程之間的通訊老是隱式進行,整個通訊過程對程序員徹底是透明的.
對於 java 程序員而言,若是不瞭解 java 內存模型,在編寫多線程程序的時候,就會遇到各類各樣的內存可見性的問題.因此,對 java 的內存模型須要有必定的瞭解.

Java 採用的共享內存模型是什麼樣的

Java 採用的是共享內存模型做爲線程間的通訊機制.

共享內存: 堆內存,在 java 中,全部的 實例域,靜態域和數組元素 存儲在堆內存中,堆內存在線程之間共享.
局部變量,方法定義的參數和異常處理參數,不會在線程之間共享,它們不會有內存可見性問題,也不受內存模型的影響.

Java 線程之間的通訊由 Java內存模型(JMM)控制,JMM 決定了一個線程對共享變量的寫入什麼時候對另個線程可見.從抽象的角度來看,JMM 定義了線程和主內存之間的抽象關係:線程之間的共享變量存儲在主內存中,每一個線程都有一個私有的本地內存,本地內存中存儲了該線程以讀寫共享變量的副本.本地內存是 JMM 的一個抽象概念,並不真實存在.它涵蓋了緩存,寫緩衝區,寄存器以及其餘的硬件和編譯器優化.

分析: 線程 A 和線程 B 通訊過程

1. 線程 A 將本地內存 A 中更新過的共享變量刷新到主內存中去.
2. 線程 B 去主內存中讀取線程 A 更新過的共享變量.

本地內存 A 和本地內存 B 都有主內存中共享的變量 x 的副本.假設初始時,這個三個內存中的 x 的值都是 0.線程 A 在執行時,把已經更新的 x 值(假設爲1) 臨時存放在本身的本地內存 A 中. 當線程 A 和線程 B 須要通訊的時,線程 A 首先會把本地內存中修改後的 x 值刷新到主內存中,此時主內存中的 x 值變爲 1.隨後,線程 B 到主內存中讀取線程 A 更新以後的 x 值,此時線程 B 的本地內存的 x 值也變爲 1.

從總體上看,這兩個步驟實質上是線程 A 在向線程 B 發送消息,並且這個通訊過程必須通過主內存.JMM 經過控制主內存與每一個線程的本地內存之間的交互,來爲 java 程序員提供內存可見性保證.

重排序(即 java 如何實現同步)

爲何須要重排序

在執行程序的時候,爲了提升性能,編譯器 和 處理器 經常會對指令作重排序.有三種重排序.

什麼是重排序

1. 編譯器優化重排序(編譯器重排序).編譯器在不改變單線程程序語義的前提下,從新安排語句的執行順序.
2. 指令級並行重排序(處理器重排序).現代處理器採用指令級並行技術來執行多條指令重疊執行.在不存在數據依賴的前提下,處理器能夠改變語句對應的指令的執行順序.
3. 內存系統的重排序(處理器重排序).因爲處理器使用緩存和讀寫緩衝區,這使得加載和存儲操做看上去多是在錯亂執行.
   因此,從 java 源代碼到執行階段,會一次通過三個重排序.以上所述的三個重排序,一個屬於編譯器重排序,兩個屬於處理器重排序.

如何避免重排序帶來的問題

三個重排序,均可能致使多線程出現內存可見性的問題.

一個例子,說明重排序產生的問題

假設處理器 A 和處理器 B 按程序的順序並行執行內存訪問，最終卻可能獲得 x = y = 0 的結果。具體的緣由以下圖所示：

1. 這裏處理器 A 和處理器 B 能夠同時執行賦值操做 A1,B1,將共享變量寫入各自的寫緩衝區（緩衝區 A ，緩衝區 B）,此時處理器 A 中的寫緩衝區中的變量 a 值爲1,處理器 B 寫緩衝區中的變量 b 值爲2,可是還未刷新到內存中;
2. 而後執行 A2,B2 操做,從內存中讀取變量 b 和變量 a 的值(此時的變量 a 和變量 b 的值仍是初始狀態,都爲0),並賦值給 x 和 y,因此,此時的 x 和 y 的值都爲 0.
3. 最後執行 A3 和 B3 操做，把處理器 A 和 處理器 B 寫緩存區中保存的髒數據刷新到內存中,此時內存中的變量 a 和變量 b 就是 1 和 2 了。
4. 執行完全部操做以後, x = y = 0 .

從內存操做實際發生的順序來看，直處處理器 A 執行 A3 來刷新本身的寫緩存區，寫操做 A1 纔算真正執行了。雖然處理器 A 執行內存操做的順序爲：A1->A2，但內存操做實際發生的順序倒是：A2->A1。此時，處理器 A 的內存操做順序被重排序了（處理器 B 的狀況和處理器 A 同樣，這裏就不贅述了）。

這裏的關鍵是，因爲寫緩衝區僅對本身的處理器可見，它會致使處理器執行內存操做的順序可能會與內存實際的操做執行順序不一致。因爲現代的處理器都會使用寫緩衝區，所以現代的處理器都會容許對寫-讀操做重排序。
對於編譯器, JMM 的編譯器重排序規則會禁止特定類型的編譯器重排序(並非全部的編譯器重排序都須要被禁止的).
對於處理器, JMM 的處理器重排序規則會要求 java 編譯器在生成指令序列的時候,插入指定類型的內存屏障指令,經過內存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序(不是全部的處理器重排序都要禁止的).

處理器重排序

現代處理器使用寫緩衝區來臨時保存向內存寫入的數據.寫緩衝區能夠保障指令流水線持續運行,它能夠避免因爲處理器停頓下來等待向內存寫入數據而產生延遲.同時經過以批處理的方式刷新寫緩衝區,以及合併寫緩衝區中對同一個內存地址的屢次寫,能夠減小對內存總線的佔用.

緩衝區的這一特性是能夠加速程序的運行,然而每一個處理器的寫緩衝區,僅僅對它所在的處理器可見.這個特性會對內存操做的執行順序產生重要的影響:處理器對內存的讀寫操做的執行順序,不必定與內存實際發生的讀寫順序一致.

上表單元格中的 「N」 表示處理器不容許兩個操做重排序，「Y」 表示容許重排序。
從上表咱們能夠看出：常見的處理器都容許 Store-Load 重排序；常見的處理器都不容許對存在數據依賴的操做作重排序。sparc-TSO 和 x86 擁有相對較強的處理器內存模型，它們僅容許對寫-讀操做作重排序（由於它們都使用了寫緩衝區）。

1. 注1：sparc-TSO 是指以 TSO(Total Store Order) 內存模型運行時，sparc 處理器的特性。
2. 注2：上表中的 x86 包括 x64 及 AMD64。
3. 注3：因爲 ARM 處理器的內存模型與 PowerPC 處理器的內存模型很是相似，本文將忽略它。
4. 注4：數據依賴性後文會專門說明。

內存屏障指令

爲了保證內存可見性，java 編譯器在生成指令序列的適當位置會插入內存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序。JMM 把內存屏障指令分爲下列四類：

StoreLoad Barriers 是一個「全能型」的屏障，它同時具備其餘三個屏障的效果。現代的多處理器大都支持該屏障（其餘類型的屏障不必定被全部處理器支持）。執行該屏障開銷會很昂貴，由於當前處理器一般要把寫緩衝區中的數據所有刷新到內存中（buffer fully flush）。

happens-before

從 JDK5 開始，java 使用新的 JSR -133 內存模型,JSR-133 使用 happens-before 的概念來闡述操做之間的內存可見性。在 JMM 中，若是一個操做執行的結果須要對另外一個操做可見，那麼這兩個操做之間必需要存在 happens-before 關係。這裏提到的兩個操做既能夠是在一個線程以內，也能夠是在不一樣線程之間。
與程序員密切相關的 happens-before 規則以下：

• 程序順序規則：一個線程中的每一個操做，happens-before 於該線程中的任意後續操做。（註解：若是隻有一個線程的操做，那麼前一個操做的結果確定會對後續的操做可見。)
• 監視器鎖規則：對一個監視器鎖的解鎖，happens-before 於隨後對這個監視器鎖的加鎖。
• volatile 變量規則：對一個 volatile 域的寫，happens-before 於任意後續對這個 volatile 域的讀。
• 傳遞性：若是 A happens-before B，且 B happens-before C，那麼 A happens-before C。

注意，兩個操做之間具備 happens-before 關係，並不意味着前一個操做必需要在後一個操做以前執行！happens-before 僅僅要求前一個操做（執行的結果）對後一個操做可見，且前一個操做按順序排在第二個操做以前(the first is visible to and ordered before the second).

happens-before 與 JMM 的關係.

如上圖所示，一個 happens-before 規則一般對應於多個編譯器和處理器重排序規則。對於 java 程序員來講，happens-before 規則簡單易懂，它避免 java 程序員爲了理解 JMM 提供的內存可見性保證而去學習複雜的重排序規則以及這些規則的具體實現。

感激,很是感激，萬分的感激！

感謝如下的文章以及其做者和翻譯的開發者們,排名不分前後

• 深刻理解Java內存模型（一）——基礎