JVM內(nèi)存模型詳細(xì)介紹[java培訓(xùn)]

Web服務(wù)端是Java語(yǔ)言最擅長(zhǎng)的領(lǐng)域之一，也會(huì)Java最廣泛應(yīng)用的地方。而高并發(fā)高吞吐量也越來(lái)越成為服務(wù)端普遍需求，所有能夠開發(fā)出高效并發(fā)的應(yīng)用程序，也是成為一個(gè)高級(jí)程序員的必備技能。下面我們將從JVM內(nèi)存模型的角度來(lái)分析虛擬機(jī)如何實(shí)現(xiàn)多線程、多線程之間由于共享和競(jìng)爭(zhēng)數(shù)據(jù)而導(dǎo)致的并發(fā)問題及解決思路。

計(jì)算機(jī)硬件內(nèi)存架構(gòu)

想要了解JVM內(nèi)存模型，我們需要先了解下計(jì)算機(jī)的硬件內(nèi)存架構(gòu)

正如上圖所示，經(jīng)過簡(jiǎn)化CPU與內(nèi)存操作的簡(jiǎn)易圖，實(shí)際上沒有這么簡(jiǎn)單，這里為了理解方便，我們省去了南北橋并將三級(jí)緩存統(tǒng)一為CPU緩存(有些CPU只有二級(jí)緩存，有些CPU有三級(jí)緩存)。就目前計(jì)算機(jī)而言，一般擁有多個(gè)CPU并且每個(gè)CPU可能存在多個(gè)核心，多核是指在一枚處理器(CPU)中集成兩個(gè)或多個(gè)完整的計(jì)算引擎(內(nèi)核),這樣就可以支持多任務(wù)并行執(zhí)行，從多線程的調(diào)度來(lái)說，每個(gè)線程都會(huì)映射到各個(gè)CPU核心中并行運(yùn)行。在CPU內(nèi)部有一組CPU寄存器，寄存器是CPU直接訪問和處理的數(shù)據(jù)，是一個(gè)臨時(shí)放數(shù)據(jù)的空間。一般CPU都會(huì)從內(nèi)存取數(shù)據(jù)到寄存器，然后進(jìn)行處理，但由于內(nèi)存的處理速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CPU，導(dǎo)致CPU在處理指令時(shí)往往花費(fèi)很多時(shí)間在等待內(nèi)存做準(zhǔn)備工作，于是在寄存器和主內(nèi)存間添加了CPU緩存，CPU緩存比較小，但訪問速度比主內(nèi)存快得多，用它來(lái)作為內(nèi)存與處理器之間的緩沖：將運(yùn)算需要使用到的數(shù)據(jù)復(fù)制到緩存中，讓運(yùn)算能快速進(jìn)行，當(dāng)運(yùn)算結(jié)束后再?gòu)木彺嫱降絻?nèi)存之中，這樣處理器就不用等待緩慢的內(nèi)存讀寫了。

基于高速緩存的存儲(chǔ)交互很好的解決了處理器與內(nèi)存的速度矛盾，但也為計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 帶來(lái)了更高的復(fù)雜度，因?yàn)樗肓艘粋€(gè)新的問題：緩存一致性。在多處理器系統(tǒng)中，每個(gè)處理器都有自己的高速緩存，而它們又共享同一主內(nèi)存(RAM)。當(dāng)多個(gè)處理器的運(yùn)算任務(wù)都涉及同一塊主內(nèi)存區(qū)域時(shí)，將可能導(dǎo)致各自的緩存數(shù)據(jù)不一致，為了解決一致性問題，需要各個(gè)處理器訪問緩存時(shí)都遵循一些協(xié)議，在讀寫時(shí)根據(jù)協(xié)議來(lái)進(jìn)行操作，這些協(xié)議有MSI、MESI、MOSI等。被稱為硬件的“內(nèi)存模型”，可以理解為在特定的操作協(xié)議下，對(duì)特定的內(nèi)存或高速緩存進(jìn)行讀寫訪問的過程抽象。不同架構(gòu)的物理機(jī)器可以擁有不一樣的內(nèi)存模型，而我們的JAVA虛擬機(jī)也有自己的內(nèi)存模型。

Java線程與硬件處理器

了解完硬件的內(nèi)存架構(gòu)后，接著了解JVM中線程的實(shí)現(xiàn)原理，理解線程的實(shí)現(xiàn)原理，有助于我們了解Java內(nèi)存模型與硬件內(nèi)存架構(gòu)的關(guān)系，在Window系統(tǒng)和Linux系統(tǒng)上，Java線程的實(shí)現(xiàn)是基于一對(duì)一的線程模型，所謂的一對(duì)一模型，實(shí)際上就是通過語(yǔ)言級(jí)別層面程序去間接調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)核的線程模型，即我們?cè)谑褂肑ava線程時(shí)，Java虛擬機(jī)內(nèi)部是轉(zhuǎn)而調(diào)用當(dāng)前操作系統(tǒng)的內(nèi)核線程來(lái)完成當(dāng)前任務(wù)。這里需要了解一個(gè)術(shù)語(yǔ)，內(nèi)核線程(Kernel-Level Thread，KLT)，它是由操作系統(tǒng)內(nèi)核(Kernel)支持的線程，這種線程是由操作系統(tǒng)內(nèi)核來(lái)完成線程切換，內(nèi)核通過操作調(diào)度器進(jìn)而對(duì)線程執(zhí)行調(diào)度，并將線程的任務(wù)映射到各個(gè)處理器上。每個(gè)內(nèi)核線程可以視為內(nèi)核的一個(gè)分身,這也就是操作系統(tǒng)可以同時(shí)處理多任務(wù)的原因。由于我們編寫的多線程程序?qū)儆谡Z(yǔ)言層面的，程序一般不會(huì)直接去調(diào)用內(nèi)核線程，取而代之的是一種輕量級(jí)的進(jìn)程(Light Weight Process)，也是通常意義上的線程，由于每個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程都會(huì)映射到一個(gè)內(nèi)核線程，因此我們可以通過輕量級(jí)進(jìn)程調(diào)用內(nèi)核線程，進(jìn)而由操作系統(tǒng)內(nèi)核將任務(wù)映射到各個(gè)處理器，這種輕量級(jí)進(jìn)程與內(nèi)核線程間1對(duì)1的關(guān)系就稱為一對(duì)一的線程模型。

Java內(nèi)存模型

內(nèi)存模型概述

Java內(nèi)存模型(即Java Memory Model，簡(jiǎn)稱JMM)本身是一種抽象的概念，并不真實(shí)存在，它描述的是一組規(guī)則或規(guī)范，通過這組規(guī)范定義了程序中各個(gè)變量(包括實(shí)例字段，靜態(tài)字段和構(gòu)成數(shù)組對(duì)象的元素)的訪問方式。

Java內(nèi)存模型的主要目標(biāo)是定義程序中的各個(gè)變量的訪問規(guī)則，即如何在虛擬機(jī)中將變量存儲(chǔ)到內(nèi)存和從內(nèi)存中取出。此處的變量不包括局部變量和方法參數(shù)，因?yàn)樗鼈兪蔷€程私有的，不會(huì)被共享，自然不存在競(jìng)爭(zhēng)問題。由于JVM運(yùn)行程序的實(shí)體是線程，而每個(gè)線程創(chuàng)建時(shí)JVM都會(huì)為其創(chuàng)建一個(gè)工作內(nèi)存(有些地方稱為?？臻g)，用于存儲(chǔ)線程私有的數(shù)據(jù)，而Java內(nèi)存模型中規(guī)定所有變量都存儲(chǔ)在主內(nèi)存，主內(nèi)存是共享內(nèi)存區(qū)域，所有線程都可以訪問，但線程對(duì)變量的操作(讀取賦值等)必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，首先要將變量從主內(nèi)存拷貝的自己的工作內(nèi)存空間，然后對(duì)變量進(jìn)行操作，操作完成后再將變量寫回主內(nèi)存，不能直接操作主內(nèi)存中的變量，工作內(nèi)存中存儲(chǔ)著主內(nèi)存中的變量副本拷貝，前面說過，工作內(nèi)存是每個(gè)線程的私有數(shù)據(jù)區(qū)域，因此不同的線程間無(wú)法訪問對(duì)方的工作內(nèi)存，線程間的通信(傳值)必須通過主內(nèi)存來(lái)完成，線程、主內(nèi)存、工作內(nèi)存三者的關(guān)系如下圖

弄清楚主內(nèi)存和工作內(nèi)存后，接了解一下主內(nèi)存與工作內(nèi)存的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類型以及操作方式，根據(jù)虛擬機(jī)規(guī)范，對(duì)于一個(gè)實(shí)例對(duì)象中的成員方法而言，如果方法中包含本地變量是基本數(shù)據(jù)類型(boolean,byte,short,char,int,long,float,double)，將直接存儲(chǔ)在工作內(nèi)存的幀棧結(jié)構(gòu)中，但倘若本地變量是引用類型，那么該變量的引用會(huì)存儲(chǔ)在功能內(nèi)存的幀棧中，而對(duì)象實(shí)例將存儲(chǔ)在主內(nèi)存(共享數(shù)據(jù)區(qū)域，堆)中。但對(duì)于實(shí)例對(duì)象的成員變量，不管它是基本數(shù)據(jù)類型或者包裝類型(Integer、Double等)還是引用類型，都會(huì)被存儲(chǔ)到堆區(qū)。至于static變量以及類本身相關(guān)信息將會(huì)存儲(chǔ)在主內(nèi)存中。需要注意的是，在主內(nèi)存中的實(shí)例對(duì)象可以被多線程共享，倘若兩個(gè)線程同時(shí)調(diào)用了同一個(gè)對(duì)象的同一個(gè)方法，那么兩條線程會(huì)將要操作的數(shù)據(jù)拷貝一份到自己的工作內(nèi)存中，執(zhí)行完成操作后才刷新到主內(nèi)存。

JAVA內(nèi)存模型與JAVA內(nèi)存區(qū)域關(guān)系

這里需要注意下JAVA內(nèi)存模型中的主內(nèi)存、工作內(nèi)存與JAVA內(nèi)存區(qū)域中的JAVA堆、棧、方法區(qū)不是同一層次的內(nèi)存劃分，不要混淆。

JAVA內(nèi)存模型

·主內(nèi)存

主要存儲(chǔ)的是Java實(shí)例對(duì)象，所有線程創(chuàng)建的實(shí)例對(duì)象都存放在主內(nèi)存中，不管該實(shí)例對(duì)象是成員變量還是方法中的本地變量(也稱局部變量)，當(dāng)然也包括了共享的類信息、常量、靜態(tài)變量。由于是共享數(shù)據(jù)區(qū)域，多條線程對(duì)同一個(gè)變量進(jìn)行訪問可能會(huì)發(fā)現(xiàn)線程安全問題。

·工作內(nèi)存

主要存儲(chǔ)當(dāng)前方法的所有本地變量信息(工作內(nèi)存中存儲(chǔ)著主內(nèi)存中的變量副本拷貝)，每個(gè)線程只能訪問自己的工作內(nèi)存，即線程中的本地變量對(duì)其它線程是不可見的，就算是兩個(gè)線程執(zhí)行的是同一段代碼，它們也會(huì)各自在自己的工作內(nèi)存中創(chuàng)建屬于當(dāng)前線程的本地變量，當(dāng)然也包括了字節(jié)碼行號(hào)指示器、相關(guān)Native方法的信息。注意由于

工作內(nèi)存是每個(gè)線程的私有數(shù)據(jù)，線程間無(wú)法相互訪問工作內(nèi)存，因此存儲(chǔ)在工作內(nèi)存的數(shù)據(jù)不存在線程安全問題。

Java內(nèi)存區(qū)域

·方法區(qū)(Method Area)

方法區(qū)屬于線程共享的內(nèi)存區(qū)域，又稱Non-Heap(非堆)，主要用于存儲(chǔ)已被虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)，根據(jù)Java 虛擬機(jī)規(guī)范的規(guī)定，當(dāng)方法區(qū)無(wú)法滿足內(nèi)存分配需求時(shí)，將拋出OutOfMemoryError 異常。值得注意的是在方法區(qū)中存在一個(gè)叫運(yùn)行時(shí)常量池(Runtime Constant Pool)的區(qū)域，它主要用于存放編譯器生成的各種字面量和符號(hào)引用，這些內(nèi)容將在類加載后存放到運(yùn)行時(shí)常量池中，以便后續(xù)使用。

·JVM堆(Java Heap)

Java 堆也是屬于線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建，是Java 虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中最大的一塊，主要用于存放對(duì)象實(shí)例，幾乎所有的對(duì)象實(shí)例都在這里分配內(nèi)存，注意Java 堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，因此很多時(shí)候也被稱做GC 堆，如果在堆中沒有內(nèi)存完成實(shí)例分配，并且堆也無(wú)法再擴(kuò)展時(shí)，將會(huì)拋出OutOfMemoryError異常。

·程序計(jì)數(shù)器(Program Counter Register)

屬于線程私有的數(shù)據(jù)區(qū)域，是一小塊內(nèi)存空間，主要代表當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼行號(hào)指示器。字節(jié)碼解釋器工作時(shí)，通過改變這個(gè)計(jì)數(shù)器的值來(lái)選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴這個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)完成。

·虛擬機(jī)棧(Java Virtual Machine Stacks)

屬于線程私有的數(shù)據(jù)區(qū)域，與線程同時(shí)創(chuàng)建，總數(shù)與線程關(guān)聯(lián)，代表Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型。每個(gè)方法執(zhí)行時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧楨來(lái)存儲(chǔ)方法的的變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接方法、返回值、返回地址等信息。每個(gè)方法從調(diào)用直結(jié)束就對(duì)于一個(gè)棧楨在虛擬機(jī)棧中的入棧和出棧過程。

·本地方法棧(Native Method Stacks)

本地方法棧屬于線程私有的數(shù)據(jù)區(qū)域，這部分主要與虛擬機(jī)用到的 Native 方法相關(guān)，一般情況下，我們無(wú)需關(guān)心此區(qū)域。

Java內(nèi)存模型與硬件內(nèi)存架構(gòu)的關(guān)系

通過對(duì)前面的硬件內(nèi)存架構(gòu)、Java內(nèi)存模型以及Java多線程的實(shí)現(xiàn)原理的了解，我們應(yīng)該已經(jīng)意識(shí)到，多線程的執(zhí)行最終都會(huì)映射到硬件處理器上進(jìn)行執(zhí)行，但Java內(nèi)存模型和硬件內(nèi)存架構(gòu)并不完全一致。對(duì)于硬件內(nèi)存來(lái)說只有寄存器、緩存內(nèi)存、主內(nèi)存的概念，并沒有工作內(nèi)存(線程私有數(shù)據(jù)區(qū)域)和主內(nèi)存(堆內(nèi)存)之分，也就是說Java內(nèi)存模型對(duì)內(nèi)存的劃分對(duì)硬件內(nèi)存并沒有任何影響，因?yàn)镴MM只是一種抽象的概念，是一組規(guī)則，并不實(shí)際存在，不管是工作內(nèi)存的數(shù)據(jù)還是主內(nèi)存的數(shù)據(jù)，對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件來(lái)說都會(huì)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)主內(nèi)存中，當(dāng)然也有可能存儲(chǔ)到CPU緩存或者寄存器中，因此總體上來(lái)說，Java內(nèi)存模型和計(jì)算機(jī)硬件內(nèi)存架構(gòu)是一個(gè)相互交叉的關(guān)系，是一種抽象概念劃分與真實(shí)物理硬件的交叉。(注意對(duì)于Java內(nèi)存區(qū)域劃分也是同樣的道理)

JMM存在的必要性

在明白了Java內(nèi)存區(qū)域劃分、硬件內(nèi)存架構(gòu)、Java多線程的實(shí)現(xiàn)原理與Java內(nèi)存模型的具體關(guān)系后，接著來(lái)談?wù)凧ava內(nèi)存模型存在的必要 性。由于JVM運(yùn)行程序的實(shí)體是線程，而每個(gè)線程創(chuàng)建時(shí)JVM都會(huì)為其創(chuàng)建一個(gè)工作內(nèi)存(有些地方稱為?？臻g)，用于存儲(chǔ)線程私有的數(shù)據(jù)，線程與主內(nèi)存中 的變量操作必須通過工作內(nèi)存間接完成，主要過程是將變量從主內(nèi)存拷貝的每個(gè)線程各自的工作內(nèi)存空間，然后對(duì)變量進(jìn)行操作，操作完成后再將變量寫回主內(nèi)存， 如果存在兩個(gè)線程同時(shí)對(duì)一個(gè)主內(nèi)存中的實(shí)例對(duì)象的變量進(jìn)行操作就有可能誘發(fā)線程安全問題。

如下圖，主內(nèi)存中存在一個(gè)共享變量x，現(xiàn)在有A和B兩條線程分別對(duì)該變量x=1進(jìn)行操作，A/B線程各自的工作內(nèi)存中存在共享變量副本x。假設(shè)現(xiàn)在A線程想要修改x的值為2，而B線程卻想要讀取x的值，那么B線程讀取 到的值是A線程更新后的值2還是更新前的值1呢?答案是，不確定，即B線程有可能讀取到A線程更新前的值1，也有可能讀取到A線程更新后的值2，這是因?yàn)?工作內(nèi)存是每個(gè)線程私有的數(shù)據(jù)區(qū)域，而線程A變量x時(shí)，首先是將變量從主內(nèi)存拷貝到A線程的工作內(nèi)存中，然后對(duì)變量進(jìn)行操作，操作完成后再將變量x寫回主 內(nèi)，而對(duì)于B線程的也是類似的，這樣就有可能造成主內(nèi)存與工作內(nèi)存間數(shù)據(jù)存在一致性問題，假如A線程修改完后正在將數(shù)據(jù)寫回主內(nèi)存，而B線程此時(shí)正在讀取 主內(nèi)存，即將x=1拷貝到自己的工作內(nèi)存中，這樣B線程讀取到的值就是x=1，但如果A線程已將x=2寫回主內(nèi)存后，B線程才開始讀取的話，那么此時(shí)B線 程讀取到的就是x=2，但到底是哪種情況先發(fā)生呢?這是不確定的，這也就是所謂的線程安全問題。

為了解決類似上述的問題，JVM定義了一組規(guī)則，通過這組規(guī)則來(lái)決定一個(gè)線程對(duì)共享變量的寫入何時(shí)對(duì)另一個(gè)線程可見，這組規(guī)則也稱為Java內(nèi)存模型(即JMM)，JMM是圍繞著程序執(zhí)行的原子性、有序性、可見性展開的，下面我們看看這三個(gè)特性。

內(nèi)存間交互操作

關(guān)于主內(nèi)存與工作內(nèi)存之間具體的交互協(xié)議，即一個(gè)變量如何從主內(nèi)存拷貝到工作內(nèi) 存、如何從工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存之類的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，Java內(nèi)存模型中定義了以下8種操作來(lái)完成，虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)必須保證下面提及的每一種操作都是原子的、不可再分的。lock(鎖定)：作用于主內(nèi)存的變量，它把一個(gè)變量標(biāo)識(shí)為一條線程獨(dú)占的狀態(tài)。

unlock(解鎖)：作用于主內(nèi)存的變量，它把一個(gè)處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來(lái)，釋放后的變量才可以被其他線程鎖定。

read(讀取)：作用于主內(nèi)存的變量，它把一個(gè)變量的值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)骄€程的工作內(nèi)存中，以便隨后的load動(dòng)作使用。

load(載入)：作用于工作內(nèi)存的變量，它把read操作從主內(nèi)存中得到的變量值放入工作內(nèi)存的變量副本中。

use(使用)：作用于工作內(nèi)存的變量，它把工作內(nèi)存中一個(gè)變量的值傳遞給執(zhí)行引擎，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個(gè)需要使用到變量的值的字節(jié)碼指令時(shí)將會(huì)執(zhí)行這個(gè)操作。

assign(賦值)：作用于工作內(nèi)存的變量，它把一個(gè)從執(zhí)行引擎接收到的值賦給工作內(nèi)存的變量，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個(gè)給變量賦值的字節(jié)碼指令時(shí)執(zhí)行這個(gè)操作。

store(存儲(chǔ))：作用于工作內(nèi)存的變量，它把工作內(nèi)存中一個(gè)變量的值傳送到主內(nèi)存中，以便隨后的write操作使用。

write(寫入)：作用于主內(nèi)存的變量，它把store操作從工作內(nèi)存中得到的變量的值放入主內(nèi)存的變量中。

如果要把一個(gè)變量從主內(nèi)存復(fù)制到工作內(nèi)存，那就要順序地執(zhí)行read和load操作，如果要把變量從工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存，就要順序地執(zhí)行store和write操作。注意，Java內(nèi)存模型只要求上述兩個(gè)操作必須按順序執(zhí)行，而沒有保證是連續(xù)執(zhí)行。也就是說，read與load之間、store與write之間是可插入其他指令的，如對(duì)主內(nèi)存中的變量a、b進(jìn)行訪問時(shí)，一種可能出現(xiàn)順序是read a、read b、load b、load a。除此之外，Java內(nèi)存模型還規(guī)定了在執(zhí)行上述8種基本操作時(shí)必須滿足如下規(guī)則：

·不允許read和load、store和write操作之一單獨(dú)出現(xiàn)，即不允許一個(gè)變量從主內(nèi)存讀取了但工作內(nèi)存不接受，或者從工作內(nèi)存發(fā)起回寫了但主內(nèi)存不接受的情況出現(xiàn)。

·不允許一個(gè)線程丟棄它的最近的assign操作，即變量在工作內(nèi)存中改變了之后必須把該變化同步回主內(nèi)存。

·不允許一個(gè)線程無(wú)原因地(沒有發(fā)生過任何assign操作)把數(shù)據(jù)從線程的工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存中。

·一個(gè)新的變量只能在主內(nèi)存中“誕生”，不允許在工作內(nèi)存中直接使用一個(gè)未被初始化(load或assign)的變量，換句話說，就是對(duì)一個(gè)變量實(shí)施use、store操作之前，必須先執(zhí)行過了assign和load操作。

·一個(gè)變量在同一個(gè)時(shí)刻只允許一條線程對(duì)其進(jìn)行l(wèi)ock操作，但lock操作可以被同一條線程重復(fù)執(zhí)行多次，多次執(zhí)行l(wèi)ock后，只有執(zhí)行相同次數(shù)的unlock操作，變量才會(huì)被解鎖。

·如果對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行l(wèi)ock操作，那將會(huì)清空工作內(nèi)存中此變量的值，在執(zhí)行引擎使用這個(gè)變量前，需要重新執(zhí)行l(wèi)oad或assign操作初始化變量的值

·如果一個(gè)變量事先沒有被lock操作鎖定，那就不允許對(duì)它執(zhí)行unlock操作，也不允許去unlock一個(gè)被其他線程鎖定住的變量。

·對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行unlock操作之前，必須先把此變量同步回主內(nèi)存中(執(zhí)行store、write操作)。

這8種內(nèi)存訪問操作以及上述規(guī)則限定，再加上稍后介紹的對(duì)volatile的一些特殊規(guī)定，就已經(jīng)完全確定了Java程序中哪些內(nèi)存訪問操作在并發(fā)下是安全的。由于這種定義相當(dāng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)质譄┈崳瑢?shí)踐起來(lái)很麻煩，所以在12.3.6節(jié)中筆者將介紹這種定義的一個(gè)等效判斷原則——先行發(fā)生原則，用來(lái)確定一個(gè)訪問在并發(fā)環(huán)境下是否安全。

原子性、可見性與有序性

原子性

原子性指的是一個(gè)操作是不可中斷的，即使是在多線程環(huán)境下，一個(gè)操作一旦開始就不會(huì)被其他線程影響。由Java內(nèi)存模型來(lái)直接保證的原子性變量操作包括read、load、assign、use、store和write，我們大致可以認(rèn)為基本數(shù)據(jù)類型的訪問讀寫是具備原子性的，但是對(duì)于64位的數(shù)據(jù)類型(long和double)，在模型中特別定義了一條相對(duì)寬松的規(guī)定：允許虛擬機(jī)將沒有被volatile修飾的64位數(shù)據(jù)的讀寫操作劃分為兩次32位的操作來(lái)進(jìn)行，這樣會(huì)導(dǎo)致一個(gè)線程在寫時(shí)，操作完前32位的原子操作后，輪到B線程讀取時(shí)，恰好只讀取到了后32位的數(shù)據(jù)，這樣可能會(huì)讀取到一個(gè)既非原值又不是線程修改值的變量，它可能是“半個(gè)變量”的數(shù)值，即64位數(shù)據(jù)被兩個(gè)線程分成了兩次讀取。但也不必太擔(dān)心，因?yàn)樽x取到“半個(gè)變量”的情況比較少 見，至少在目前的商用的虛擬機(jī)中，幾乎都把64位的數(shù)據(jù)的讀寫操作作為原子操作來(lái)執(zhí)行，因此對(duì)于這個(gè)問題不必太在意，知道這么回事即可。

如果應(yīng)用場(chǎng)景需要一個(gè)更大范圍的原子性保證(經(jīng)常會(huì)遇到)，Java內(nèi)存模型還提供了lock和unlock操作來(lái)滿足這種需求，盡管虛擬機(jī)未把lock和unlock操作直接開放給用戶使用，但是卻提供了更高層次的字節(jié)碼指令monitorenter和monitorexit來(lái)隱式地使用這兩個(gè)操作，這兩個(gè)字節(jié)碼指令反映到Java代碼中就是同步塊——synchronized關(guān)鍵字，因此在synchronized塊之間的操作也具備原子性。

可見性

可見性是指當(dāng)一個(gè)線程修改了共享變量的值，其他線程能夠立即得知這個(gè)修改。對(duì)于串行程序來(lái)說，可見性問題是不存在的，因?yàn)槲覀冊(cè)谌魏我粋€(gè)操作中修改了某個(gè)變量的值，后續(xù)的操作中都能讀取這個(gè)變量值，并且是修改過的新值。但在多線程環(huán)境中可就不一定了， 前面我們分析過，由于線程對(duì)共享變量的操作都是線程拷貝到各自的工作內(nèi)存進(jìn)行操作后才寫回到主內(nèi)存中的，這就可能存在一個(gè)線程A修改了共享變量x的值，還未寫回主內(nèi)存時(shí)，另外一個(gè)線程B又對(duì)主內(nèi)存中同一個(gè)共享變量x進(jìn)行操作，但此時(shí)A線程工作內(nèi)存中共享變量x對(duì)線程B來(lái)說并不可見，這種工作內(nèi)存與主內(nèi)存同步延遲現(xiàn)象就會(huì)造成可見性問題。

有序性

有序性是指對(duì)于單線程的執(zhí)行代碼，我們總是認(rèn)為代碼的執(zhí)行是按順序依次執(zhí)行的，這樣的理解并沒有毛病，畢竟對(duì)于單線程而言確實(shí)如此，但對(duì)于多線程環(huán)境，則可能出現(xiàn)亂序現(xiàn)象，因?yàn)槌绦蚓幾g成機(jī)器碼指令后可能會(huì)出現(xiàn)指令重排現(xiàn)象，重排后的指令與原指令的順序未必一致，要明白的是，在Java程序中，倘若在本線程內(nèi)，所有操作都視為有序行為，如果是多線程環(huán)境下，一個(gè)線程中觀察另外一個(gè)線程，所有操作都是無(wú)序的，前半句指的是單線程內(nèi)保證串行語(yǔ)義執(zhí)行的一 致性，后半句則指指令重排現(xiàn)象和工作內(nèi)存與主內(nèi)存同步延遲現(xiàn)象。

JMM提供的解決方案

在理解了原子性，可見性以及有序性問題后，看看JMM是如何保證的，在Java內(nèi)存模型中都提供一套解決方案供Java工程師在開發(fā)過程使用，如原子性問題，除了JVM自身提供的對(duì)基本數(shù)據(jù)類型讀寫操作的原子性外，對(duì)于方法級(jí)別或者代碼塊級(jí)別的原子性操作，可以使用synchronized關(guān)鍵字或 者重入鎖(ReentrantLock)保證程序執(zhí)行的原子性。 而工作內(nèi)存與主內(nèi)存同步延遲現(xiàn)象導(dǎo)致的可見性問題，可以使用synchronized關(guān)鍵字或者volatile關(guān)鍵字解決，它們都可以使一個(gè)線程修改后 的變量立即對(duì)其他線程可見。對(duì)于指令重排導(dǎo)致的可見性問題和有序性問題，則可以利用volatile關(guān)鍵字解決，因?yàn)関olatile的另外一個(gè)作用就是 禁止重排序優(yōu)化，關(guān)于volatile稍后會(huì)進(jìn)一步分析。除了靠sychronized和volatile關(guān)鍵字來(lái)保證原子性、可見性以及有序性外，JMM內(nèi)部還定義一套happens-before原則來(lái)保證多線程環(huán)境下兩個(gè)操作間的原子性、可見性以及有序性。推薦了解傳智播客java培訓(xùn)課程。

volatile內(nèi)存語(yǔ)義

volatile是Java虛擬機(jī)提供的輕量級(jí)的同步機(jī)制。volatile關(guān)鍵字有如下三個(gè)作用：

·在工作內(nèi)存中，每次使用volatile修飾的變量前都必須先從主內(nèi)存刷新最新的值，用于保證能看見其他線程對(duì)volatile修飾的變量所做的修改后的值

·要求在工作內(nèi)存中，每次修改volatile修飾的變量后都必須立刻同步回主內(nèi)存中，用于保證其他線程可以看到自己對(duì)volatile修飾的變量所做的修改

·要求volatile修飾的變量不會(huì)被指令重排序優(yōu)化，保證代碼的執(zhí)行順序與程序的順序相同

先行發(fā)生原則

倘若在程序開發(fā)中，僅靠sychronized和volatile關(guān)鍵字來(lái)保證原子性、可見性以及有序性，那么編寫并發(fā)程序可能會(huì)顯得十分麻煩，幸 運(yùn)的是，在Java內(nèi)存模型中，還提供了happens-before 原則來(lái)輔助保證程序執(zhí)行的原子性、可見性以及有序性的問題，它是判斷數(shù)據(jù)是否存在競(jìng)爭(zhēng)、線程是否安全的依據(jù)，happens-before 原則內(nèi)容如下

程序順序原則，即在一個(gè)線程內(nèi)必須保證語(yǔ)義串行性，也就是說按照代碼順序執(zhí)行。

(1)鎖規(guī)則：解鎖(unlock)操作必然發(fā)生在后續(xù)的同一個(gè)鎖的加鎖(lock)之前，也就是說，如果對(duì)于一個(gè)鎖解鎖后，再加鎖，那么加鎖的動(dòng)作必須在解鎖動(dòng)作之后(同一個(gè)鎖)。

(2)volatile規(guī)則：volatile變量的寫，先發(fā)生于讀，這保證了volatile變量的可見性，簡(jiǎn)單的理解就是，volatile變量在每次被線程訪問時(shí)，都強(qiáng)迫從主內(nèi) 存中讀該變量的值，而當(dāng)該變量發(fā)生變化時(shí)，又會(huì)強(qiáng)迫將最新

的值刷新到主內(nèi)存，任何時(shí)刻，不同的線程總是能夠看到該變量的最新值。

(3)線程啟動(dòng)規(guī)則：線程的start()方法先于它的每一個(gè)動(dòng)作，即如果線程A在執(zhí)行線程B的start方法之前修改了共享變量的值，那么當(dāng)線程B執(zhí)行start方法時(shí)，線程A對(duì)共享變量的修改對(duì)線程B可見

(4)傳遞性：A先于B ，B先于C 那么A必然先于C

(5)線程終止規(guī)則 線程的所有操作先于線程的終結(jié)，Thread.join()方法的作用是等待當(dāng)前執(zhí)行的線程終止。

(6)在線程B終止之前，修改了共享變量，線程A從線程B的join方法成功返回后，線程B對(duì)共享變量的修改將對(duì)線程A可見。

(7)線程中斷規(guī)則：對(duì)線程 interrupt()方法的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測(cè)到中斷事件的發(fā)生，可以通過Thread.interrupted()方法檢測(cè)線程是否中斷。

(8)對(duì)象終結(jié)規(guī)則：對(duì)象的構(gòu)造函數(shù)執(zhí)行，結(jié)束先于finalize()方法

上述8條原則無(wú)需手動(dòng)添加任何同步手段(synchronized|volatile)即可達(dá)到效果，下面我們結(jié)合前面的案例演示這8條原則如何判斷線程是否安全，如下：

同樣的道理，存在兩條線程A和B，線程A調(diào)用實(shí)例對(duì)象的writer()方法，而線程B調(diào)用實(shí)例對(duì)象的read()方法，線程A先啟動(dòng)而線程B后啟動(dòng)，那么線程B讀取到的i值是多少呢?現(xiàn)在依據(jù)8條原則，由于存在兩條線程同時(shí)調(diào)用，因此程序次序原則不合適。writer()方法和read()方法都沒有使用同步手段，鎖規(guī)則也不合適。沒有使用volatile關(guān)鍵字，volatile變量原則不適應(yīng)。線程啟動(dòng)規(guī)則、線程終止規(guī)則、線程中斷規(guī)則、對(duì)象結(jié)規(guī)則、傳遞性和本次測(cè)試案例也不合適。線程A和線程B的啟動(dòng)時(shí)間雖然有先后，但線程B執(zhí)行結(jié)果卻是不確定，也是說上述代碼沒有適合8條原則中的任意一，也沒有使用任何同步手段，所以上述的操作是線程不安全的，因此線程B讀取的值自然也是不確定的。修復(fù)這個(gè)問題的方式很簡(jiǎn)單，要么給writer()方 法和read()方法添加同步手段，如synchronized或者給變量flag添加volatile關(guān)鍵字，確保線程A修改的值對(duì)線程B總是可見。

時(shí)間先后順序與先行發(fā)生原則之間基本沒有太大的關(guān)系，所以我們衡量并發(fā)安全問題的時(shí)候不要受到時(shí)間順序的干擾，一切必須以先行發(fā)生原則為準(zhǔn)。

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