Java 内存模型简单剖析

Java 内存模型试图屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让 Java 程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。

主内存与工作内存

处理器上的寄存器的读写的速度比内存快几个数量级，为了解决这种速度矛盾，在它们之间加入了高速缓存。

加入高速缓存带来了一个新的问题：缓存一致性。如果多个缓存共享同一块主内存区域，那么多个缓存的数据可能会不一致，需要一些协议来解决这个问题。

所有的变量都存储在主内存中，每个线程还有自己的工作内存，工作内存存储在高速缓存或者寄存器中，保存了该线程使用的变量的主内存副本拷贝。

线程只能直接操作工作内存中的变量，不同线程之间的变量值传递需要通过主内存来完成。

内存间交互操作

Java 内存模型定义了 8 个操作来完成主内存和工作内存的交互操作。

• read：把一个变量的值从主内存传输到工作内存中
• load：在 read 之后执行，把 read 得到的值放入工作内存的变量副本中
• use：把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎
• assign：把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量
• store：把工作内存的一个变量的值传送到主内存中
• write：在 store 之后执行，把 store 得到的值放入主内存的变量中
• lock：作用于主内存的变量
• unlock

内存模型三大特性

1. 原子性

Java 内存模型保证了 read、load、use、assign、store、write、lock 和 unlock 操作具有原子性，例如对一个 int 类型的变量执行 assign 赋值操作，这个操作就是原子性的。但是 Java 内存模型允许虚拟机将没有被 volatile 修饰的 64 位数据（long，double）的读写操作划分为两次 32 位的操作来进行，即 load、store、read 和 write 操作可以不具备原子性。

有一个错误认识就是，int 等原子性的变量在多线程环境中不会出现线程安全问题。前面的线程不安全示例代码中，cnt 变量属于 int 类型变量，1000 个线程对它进行自增操作之后，得到的值为 997 而不是 1000。

为了方便讨论，将内存间的交互操作简化为 3 个：load、assign、store。

下图演示了两个线程同时对 cnt 变量进行操作，load、assign、store 这一系列操作整体上看不具备原子性，那么在 T1 修改 cnt 并且还没有将修改后的值写入主内存，T2 依然可以读入该变量的值。可以看出，这两个线程虽然执行了两次自增运算，但是主内存中 cnt 的值最后为 1 而不是 2。因此对 int 类型读写操作满足原子性只是说明 load、assign、store 这些单个操作具备原子性。

AtomicInteger 能保证多个线程修改的原子性。

使用 AtomicInteger 重写之前线程不安全的代码之后得到以下线程安全实现：

 public class AtomicExample {
     private AtomicInteger cnt = new AtomicInteger();

     public void add() {
         cnt.incrementAndGet();
     }

     public int get() {
         return cnt.get();
     }

     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
         final int threadSize = 1000;
         AtomicExample example = new AtomicExample();
         final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize);
         ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
         for (int i = 0; i < threadSize; i++) {
             executorService.execute(() -> {
                 example.add();
                 countDownLatch.countDown();
             });
         }
         countDownLatch.await();
         executorService.shutdown();
         System.out.println(example.get());
     }
 }
 console :
 1000

除了使用原子类之外，也可以使用 synchronized 互斥锁来保证操作的完整性，它对应的内存间交互操作为：lock 和 unlock，在虚拟机实现上对应的字节码指令为 monitorenter 和 monitorexit。

 public class AtomicSynchronizedExample {
     private int cnt = 0;

     public synchronized void add() {
         cnt++;
     }

     public synchronized int get() {
         return cnt;
     }

     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
         final int threadSize = 1000;
         AtomicSynchronizedExample example = new AtomicSynchronizedExample();
         final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize);
         ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
         for (int i = 0; i < threadSize; i++) {
             executorService.execute(() -> {
                 example.add();
                 countDownLatch.countDown();
             });
         }
         countDownLatch.await();
         executorService.shutdown();
         System.out.println(example.get());
     }
 }
 console:
 1000

2. 可见性

可见性指当一个线程修改了共享变量的值，其它线程能够立即得知这个修改。Java 内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值来实现可见性的。

volatile 可保证可见性。synchronized 也能够保证可见性，对一个变量执行 unlock 操作之前，必须把变量值同步回主内存。final 关键字也能保证可见性：被 final 关键字修饰的字段在构造器中一旦初始化完成，并且没有发生 this 逃逸（其它线程可以通过 this 引用访问到初始化了一半的对象），那么其它线程就能看见 final 字段的值。

对前面的线程不安全示例中的 cnt 变量用 volatile 修饰，不能解决线程不安全问题。因为 volatile 并不能保证操作的原子性。

// TODO：volatile 不能解决线程不安全问题的示例代码。

3. 有序性

有序性是指：在本线程内观察，所有操作都是有序的。在一个线程观察另一个线程，所有操作都是无序的，无序是因为发生了指令重排序。

在 Java 内存模型中，允许编译器和处理器对指令进行重排序，重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。

volatile 关键字通过添加内存屏障的方式来禁止指令重排，即重排序时不能把后面的指令放到内存屏障之前。

也可以通过 synchronized 来保证有序性，它保证每个时刻只有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码。

先行发生原则

上面提到了可以用 volatile 和 synchronized 来保证有序性。除此之外，JVM 还规定了先行发生原则，让一个操作无需控制就能先于另一个操作完成。

主要有以下这些原则：

1. 单一线程原则

Single Thread rule

在一个线程内，在程序前面的操作先行发生于后面的操作。

2. 管程锁定规则

Monitor Lock Rule

一个 unlock 操作先行发生于后面对同一个锁的 lock 操作。

3. volatile 变量规则

Volatile Variable Rule

对一个 volatile 变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作。

4. 线程启动规则

Thread Start Rule

Thread 对象的 start() 方法调用先行发生于此线程的每一个动作。

5. 线程加入规则

Thread Join Rule

join() 方法返回先行发生于 Thread 对象的结束。

6. 线程中断规则

Thread Interruption Rule

对线程 interrupt() 方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生，可以通过 Thread.interrupted() 方法检测到是否有中断发生。

7. 对象终结规则

Finalizer Rule

一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行发生于它的 finalize() 方法的开始。

8. 传递性

Transitivity

如果操作 A 先行发生于操作 B，操作 B 先行发生于操作 C，那么操作 A 先行发生于操作 C。