前言

在并發(fā)編程中，當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問同一個(gè)共享的可變變量時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不確定的結(jié)果，所以要編寫線程安全的代碼，其本質(zhì)上是對這些可變的共享變量的訪問操作進(jìn)行管理。導(dǎo)致這種不確定結(jié)果的原因就是可見性、有序性和原子性問題，Java 為解決可見性和有序性問題引入了 Java 內(nèi)存模型，使用互斥方案（其核心實(shí)現(xiàn)技術(shù)是鎖）來解決原子性問題。這篇先來看看解決可見性、有序性問題的 Java 內(nèi)存模型（JMM）。

什么是 Java 內(nèi)存模型

Java 內(nèi)存模型在維基百科上的定義如下：

The Java memory model describes how threads in the Java programming language interact through memory. Together with the description of single-threaded execution of code, the memory model provides the semantics of the Java programming language.

內(nèi)存模型限制的是共享變量，也就是存儲(chǔ)在堆內(nèi)存中的變量，在 Java 語言中，所有的實(shí)例變量、靜態(tài)變量和數(shù)組元素都存儲(chǔ)在堆內(nèi)存之中。而方法參數(shù)、異常處理參數(shù)這些局部變量存儲(chǔ)在方法棧幀之中，因此不會(huì)在線程之間共享，不會(huì)受到內(nèi)存模型影響，也不存在內(nèi)存可見性問題。

通常，在線程之間的通訊方式有共享內(nèi)存和消息傳遞兩種，很明顯，Java 采用的是第一種即共享的內(nèi)存模型，在共享的內(nèi)存模型里，多線程之間共享程序的公共狀態(tài)，通過讀-寫內(nèi)存的方式來進(jìn)行隱式通訊。

從抽象的角度來看，JMM 其實(shí)是定義了線程和主內(nèi)存之間的關(guān)系，首先，多個(gè)線程之間的共享變量存儲(chǔ)在主內(nèi)存之中，同時(shí)每個(gè)線程都有一個(gè)自己私有的本地內(nèi)存，本地內(nèi)存中存儲(chǔ)著該線程讀或?qū)懝蚕碜兞康母北荆ㄗ⒁猓罕镜貎?nèi)存是 JMM 定義的抽象概念，實(shí)際上并不存在）。抽象模型如下圖所示：

1.png

在這個(gè)抽象的內(nèi)存模型中，在兩個(gè)線程之間的通信（共享變量狀態(tài)變更）時(shí)，會(huì)進(jìn)行如下兩個(gè)步驟：

1. 線程 A 把在本地內(nèi)存更新后的共享變量副本的值，刷新到主內(nèi)存中。
2. 線程 B 在使用到該共享變量時(shí)，到主內(nèi)存中去讀取線程 A 更新后的共享變量的值，并更新線程 B 本地內(nèi)存的值。

JMM 本質(zhì)上是在硬件（處理器）內(nèi)存模型之上又做了一層抽象，使得應(yīng)用開發(fā)人員只需要了解 JMM 就可以編寫出正確的并發(fā)代碼，而無需過多了解硬件層面的內(nèi)存模型。

為什么需要 Java 內(nèi)存模型

在日常的程序開發(fā)中，為一些共享變量賦值的場景會(huì)經(jīng)常碰到，假設(shè)一個(gè)線程為整型共享變量 count 做賦值操作（count = 9527;），此時(shí)就會(huì)有一個(gè)問題，其它讀取該共享變量的線程在什么情況下獲取到的變量值為 9527 呢？如果缺少同步的話，會(huì)有很多因素導(dǎo)致其它讀取該變量的線程無法立即甚至是永遠(yuǎn)都無法看到該變量的最新值。

比如緩存就可能會(huì)改變寫入共享變量副本提交到主內(nèi)存的次序，保存在本地緩存的值，對于其它線程是不可見的；編譯器為了優(yōu)化性能，有時(shí)候會(huì)改變程序中語句執(zhí)行的先后順序，這些因素都有可能會(huì)導(dǎo)致其它線程無法看到共享變量的最新值。

在文章開頭，提到了 JMM 主要是為了解決可見性和有序性問題，那么首先就要先搞清楚，導(dǎo)致可見性和有序性問題發(fā)生的本質(zhì)原因是什么？現(xiàn)在的服務(wù)絕大部分都是運(yùn)行在多核 CPU 的服務(wù)器上，每顆 CPU 都有自己的緩存，這時(shí) CPU 緩存與內(nèi)存的數(shù)據(jù)就會(huì)有一致性問題了，當(dāng)一個(gè)線程對共享變量的修改，另外一個(gè)線程無法立刻看到。導(dǎo)致可見性問題的本質(zhì)原因是緩存。

2.png

有序性是指代碼實(shí)際的執(zhí)行順序和代碼定義的順序一致，編譯器為了優(yōu)化性能，雖然會(huì)遵守 as-if-serial 語義（不管怎么重排序，在單線程下的執(zhí)行結(jié)果不能改變），不過有時(shí)候編譯器及解釋器的優(yōu)化也可能引發(fā)一些問題。比如：雙重檢查來創(chuàng)建單實(shí)例對象。下面是使用雙重檢查來實(shí)現(xiàn)延遲創(chuàng)建單例對象的代碼：

/**
 * @author mghio
 * @since 2021-08-22
 */
public class DoubleCheckedInstance {

  private static DoubleCheckedInstance instance;

  public static DoubleCheckedInstance getInstance() {
    if (instance == null) {
      synchronized (DoubleCheckedInstance.class) {
        if (instance == null) {
          instance = new DoubleCheckedInstance();
        }
      }
    }

    return instance;
  }
  
}

這里的 instance = new DoubleCheckedInstance();，看起來 Java 代碼只有一行，應(yīng)該是無法就行重排序的，實(shí)際上其編譯后的實(shí)際指令是如下三步：

1. 分配對象的內(nèi)存空間
2. 初始化對象
3. 設(shè)置 instance 指向剛剛已經(jīng)分配的內(nèi)存地址

上面的第 2 步和第 3 步如果改變執(zhí)行順序也不會(huì)改變單線程的執(zhí)行結(jié)果，也就是說可能會(huì)發(fā)生重排序，下圖是一種多線程并發(fā)執(zhí)行的場景：

3.png

此時(shí)線程 B 獲取到的 instance 是沒有初始化過的，如果此來訪問 instance 的成員變量就可能觸發(fā)空指針異常。導(dǎo)致有序性問題的本質(zhì)原因是編譯器優(yōu)化。那你可能會(huì)想既然緩存和編譯器優(yōu)化是導(dǎo)致可見性問題和有序性問題的原因，那直接禁用掉不就可以徹底解決這些問題了嗎，但是如果這么做了的話，程序的性能可能就會(huì)受到比較大的影響了。

其實(shí)可以換一種思路，能不能把這些禁用緩存和編譯器優(yōu)化的權(quán)利交給編碼的工程師來處理，他們肯定最清楚什么時(shí)候需要禁用，這樣就只需要提供按需禁用緩存和編譯優(yōu)化的方法即可，使用比較靈活。因此Java 內(nèi)存模型就誕生了，它規(guī)范了 JVM 如何提供按需禁用緩存和編譯優(yōu)化的方法，規(guī)定了 JVM 必須遵守一組最小的保證，這個(gè)最小保證規(guī)定了線程對共享變量的寫入操作何時(shí)對其它線程可見。

順序一致性內(nèi)存模型

順序一致性模型是一個(gè)理想化后的理論參考模型，處理器和編程語言的內(nèi)存模型的設(shè)計(jì)都是參考的順序一致性模型理論。其有如下兩大特性：

1. 一個(gè)線程中的所有操作必須按照程序的順序來執(zhí)行
2. 所有的線程都只能看到一個(gè)單一的執(zhí)行操作順序，不管程序是否同步

在工程師視角下的順序一致性模型如下：

4.png

順序一致性模型有一個(gè)單一的全局內(nèi)存，這個(gè)全局內(nèi)存可以通過左右搖擺的開關(guān)可以連接到任意一個(gè)線程，每個(gè)線程都必須按照程序的順序來執(zhí)行內(nèi)存的讀和寫操作。該理想模型下，任務(wù)時(shí)刻都只能有一個(gè)線程可以連接到內(nèi)存，當(dāng)多個(gè)線程并發(fā)執(zhí)行時(shí)，就可以通過開關(guān)就可以把多個(gè)線程的讀和寫操作串行化。

順序一致性模型中，所有操操作完全按照順序串行執(zhí)行，但是在 JMM 中就沒有這個(gè)保證了，未同步的程序在 JMM 中不僅程序的執(zhí)行順序是無序的，而且由于本地內(nèi)存的存在，所有線程看到的操作順序也可能會(huì)不一致，比如一個(gè)線程把寫共享變量保存在本地內(nèi)存中，在還沒有刷新到主內(nèi)存前，其它線程是不可見的，只有更新到主內(nèi)存后，其它線程才有可能看到。

JMM 對在正確同步的程序做了順序一致性的保證，也就是程序的執(zhí)行結(jié)果和該程序在順序一致性內(nèi)存模型中的執(zhí)行結(jié)果相同。

Happens-Before 規(guī)則

Happens-Before 規(guī)則是 JMM 中的核心概念，Happens-Before 概念最開始在 這篇論文 提出，其在論文中使用 Happens-Before 來定義分布式系統(tǒng)之間的偏序關(guān)系。在 JSR-133 中使用 Happens-Before 來指定兩個(gè)操作之間的執(zhí)行順序。

JMM 正是通過這個(gè)規(guī)則來保證跨線程的內(nèi)存可見性，Happens-Before 的含義是前面一個(gè)對共享變量的操作結(jié)果對該變量的后續(xù)操作是可見的，約束了編譯器的優(yōu)化行為，雖然允許編譯器優(yōu)化，但是優(yōu)化后的代碼必須要滿足 Happens-Before 規(guī)則，這個(gè)規(guī)則給工程師做了這個(gè)保證：同步的多線程程序是按照 Happens-Before 指定的順序來執(zhí)行的。目的就是為了在不改變程序（單線程或者正確同步的多線程程序）執(zhí)行結(jié)果的前提下，盡最大可能的提高程序執(zhí)行的效率。

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JSR-133 規(guī)范中定了如下 6 項(xiàng) Happens-Before 規(guī)則：

1. 程序順序規(guī)則：一個(gè)線程中的每個(gè)操作，Happens-Before 該線程中的任意后續(xù)操作
2. 監(jiān)視器鎖規(guī)則：對一個(gè)鎖的解鎖操作，Happens-Before 于后面對這個(gè)鎖的加鎖操作
3. volatile 規(guī)則對一個(gè) volatile 類型的變量的寫操作，Happens-Before 與任意后面對這個(gè) volatile 變量的讀操作
4. 傳遞性規(guī)則：如果操作 A Happens-Before 于操作 B，并且操作 B Happens-Before 于操作 C，則操作 A Happens-Before 于操作 C
5. start() 規(guī)則：如果一個(gè)線程 A 執(zhí)行操作 threadB.start() 啟動(dòng)線程 B，那么線程 A 的 start() 操作 Happens-Before 于線程 B 的任意操作
6. join() 規(guī)則：如果線程 A 執(zhí)行操作 threadB.join() 并成功返回，那么線程 B 中的任意操作 Happens-Before 于線程 A 從 threadB.join() 操作成功返回

JMM 的一個(gè)基本原則是：只要不改變單線程和正確同步的多線程的執(zhí)行結(jié)果，編譯器和處理器隨便怎么優(yōu)化都可以，實(shí)際上對于應(yīng)用開發(fā)人員對于兩個(gè)操作是否真的被重排序并不關(guān)心，真正關(guān)心的是執(zhí)行結(jié)果不能被修改。因此 Happens-Before 本質(zhì)上和 sa-if-serial 的語義是一致的，只是 sa-if-serial 只是保證在單線程下的執(zhí)行結(jié)果不被改變。

總結(jié)

本文主要介紹了內(nèi)存模型的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)和相關(guān)概念，JMM 屏蔽了不同處理器內(nèi)存模型之間的差異，在不同的處理器平臺(tái)上給應(yīng)用開發(fā)人員抽象出了統(tǒng)一的 Java 內(nèi)存模型（JMM）。常見的處理器內(nèi)存模型比 JMM 的要弱，因此 JVM 會(huì)在生成字節(jié)碼指令時(shí)在適當(dāng)?shù)奈恢貌迦雰?nèi)存屏障（內(nèi)存屏障的類型會(huì)因處理器平臺(tái)而有所不同）來限制部分重排序。