Java 并发学习之 JMM

Java 并发学习之 JMM

顺序一致性模型与 JMM

顺序一致性模型是一种理想的内存模型，在这个模型下，指令是严格按照代码的编写顺序执行，同时所有线程只能看到同一个内存区且对内存区的操作都是互斥的，内存对所有线程都是可见的。

JMM 中，由于每个线程有自己的工作内存，很多情况下，只是对工作内存中的变量副本进行修改而未真正同步到主内存中，因此每个线程对内存的更改对其他线程都是不可见的，同时出于对性能的优化，指令的顺序经过编译器和处理器的重排，其执行的顺序跟代码的编写顺序很有可能不一样。所以导致了 JMM 不可能像顺序一致性模型那样具有极强的内存可见性保证，在 JMM 中如果要一个操作执行的结果对另一个操作可见，那么这两个操作必须满足 happens-before 原则。

什么是指令重排？

指令重排是编译器和处理器用于优化程序性能的手段，举个例子，指令 B 的执行依赖指令 A 的结果，此时有一些对内存的访问操作就可以插入指令 B 和指令 A 之间，以提高 IO 的效率。指令重排有一个基本原则，就是在单线程中遵守数据的依赖关系（写写、写读、读写指令间都是有依赖关系，不允许重排），从而保证单线程中执行结果的一致性。

本文将从happens-before 原则出发，分析 JMM 中用于提供内存可见性的设计。

happens-before

volatile

volatile 变量具有可见性和原子性。可见性是指对一个 volatile 变量的读总是能够看到对这个 volatile 变量的最后写入；原子性是指对 volatile 变量的读操作和写操作具有原子性，复合操作（volatile++）不具有。

为了保证 volatile 变量的两个特性，JMM 在对 volatile 变量的读操作和写操作进行以下的设计：

1. 当写一个 volatile 变量时，JMM 会将线程工作内存的变量刷新到主内存。
2. 当读一个 volatile 变量时，JMM 会将工作内存的变量置为无效，直接从主内存中获取。

由于指令的重排序导致多个线程下，变量的读写依赖无法被满足，JMM 对 volatile 变量的指令重排做了限制：

1. volatile 写之前的操作不能被重排到 volatile 写之后。
2. volatile 读之后的操作不能被重排到 volatile 读之前。
3. 当第一个操作是 volatile 写，第二个操作是 volatile 读时，不能重排。

这些限制都是通过 JMM 内存屏障来实现的。内存屏障的细节本文不做详细介绍。

锁

针对锁的获取到释放过程遵循以下三个 happens-before 关系：

1. 程序次序规则：先获取锁，再执行临界区代码
2. 监视器规则：先释放锁，再获取锁
3. happens-before 传递性：先获取锁的临界区代码先执行

为了保证内存的可见性，JMM 在锁的释放和获取操作进行以下的设计：

1. 当线程释放锁时，会把该线程对应的工作内存的变量刷新到主内存。
2. 当线程获取锁时，会把线程对应的工作内存的变量置为无效，从而使得临界区代码必须从主内存中读取变量。

JMM 锁的释放和获取操作的可见性实际上是通过对 volatile 变量的操作来实现的。（参考 AQS 的实现）

final 域

JMM 对 final 域的重排序也做了限制：

1. 在构造函数内对 final 域的写入，与随后将被构造对象的引用赋值给一个引用对象，这两个操作不能重排。
2. 初次读包含 final 域对象的引用，与随后初次读这个 final 域，这两个操作不能重排。

这些限制也是通过 JMM 内存屏障实现的。

线程

在线程 A 中执行操作 ThreadB.start()，A 线程中的 ThreadB.start() 操作 happens-before 线程 B 中的任意操作。在线程 A 中执行操作 ThreadB.join()，B 线程中的任意操作 happens-before 线程 A 从 Thread.join() 操作返回。