【并发编程】一文带你读懂深入理解Java内存模型(面试版本)

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  并发编程这一块内容,是高级资深工程师必备知识点,25K起如果不懂并发编程,那基本到顶。但是并发编程内容庞杂,如何系统学习?本专题将会系统讲解并发编程的所有知识点,包括但不限于:

  线程通信机制,深入JMM内存模型原理,深入synchronized原理,深入volatile原理,DCL,详解AQS,CAS,可重入锁,读写锁原理,详解并发工具类,深入理解threadLocal,Fork、Join,原子类详解,Java并发集合详解(ConcurrentHashMap,ConcurrentLinedQueue,ConcurrentListMap等),阻塞队列深入探究,深入线程池原理及其设计思想。

  本文为深入理解java内存模型。

  

  零、全文思维导图

  主线如上图红色箭头,大家可以先看看整体讲的是什么。java内存模型前面是铺垫,后面是相关内容。

  

  注:需要完整全套高清思维导图的,关注本公众号:【御姐聊IT】,后台回复【脑图】即可。

  一、引出java内存模型(不做重点讲解)

  

  二、那什么才会用到java内存模型?

  共享变量(实例域,静态域,数组元素)才会用到。

  局部变量,方法定义参数等不会在线程间共享,所以他们不会有内存可见性问题,也不受内存模型影响

  三、java内存模型抽象示意图

  Java内存模型简称JMM(Java Memory Model),是Java虚拟机所定义的一种抽象规范,用来屏蔽不同硬件和操作系统的内存访问差异,让java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。

  

  3.1 主内存(Main Memory)

  主内存可以简单理解为计算机当中的内存,但又不完全等同。主内存被所有的线程所共享,对于一个共享变量(比如静态变量,或是堆内存中的实例)来说,主内存当中存储了它的“本尊”。

  3.2 本地内存(Working Memory)

  本地内存可以简单理解为计算机当中的CPU高速缓存,但又不完全等同。每一个线程拥有自己的工作内存,对于一个共享变量来说,工作内存当中存储了它的“副本”。为啥有本地内存这个概念?因为直接操作主内存太慢了

  通过一系列内存读写的操作指令(JVM内存模型共定义了8种内存操作指令,以后会细讲),线程A把静态变量 s=0 从主内存读到工作内存,再把 s=3 的更新结果同步到主内存当中。从单线程的角度来看,这个过程没有任何问题。

  四、指令重排序

  理解重排序前这个概念前,我们先转换场景,从java内存模型走出来,来到硬件CPU这个维度。

  4.1基本概念:

  在执行程序时为了提高性能,编译器和处理器常常会对指令做重排序(简单理解就是原本我们写的代码指令执行顺序应该是A→B→C,但是现在的CPU都是多核CPU,为了秀下优越,为了提高并行度,为了提高性能等,可能会出现指令顺序变为B→A→C等其他情况)。

  当然CPU们也不是随便就去重排序,需要满足以下两个条件(遵循的规则):

  1. 在单线程环境下不能改变程序运行的结果;

  2. 存在数据依赖关系的不允许重排序

  4.2重排序分三类:

  1、编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下,可以重新安排语句的执行顺序。

  2、指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性,处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。

  3、内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读/写缓冲区,这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

  从 Java 源代码到最终实际执行的指令序列,会分别经历下面三种重排序:

  

  (该图来自zhisheng的博客)

  那么重排序会遵循什么样的规则?

  五、as-if-serial

  5.1as-if-serial语义的意思是:

  不管怎么重排序,(单线程)程序的执行结果不能被改变。编译器,runtime和处理器都必须遵守as-if-serial语义。OK,这就相当于给CPU们定下规则。不要随便重排序。要满足我这个as-if-serial的前置条件,才能重排序。

  5.2as-if-serial语义把单线程程序保护了起来,遵守as-if-serial语义的编译器,runtime和处理器共同为编写单线程程序的程序员创建了一个幻觉:单线程程序是按程序的顺序来执行的。as-if-serial语义使程序员不必担心单线程中重排序的问题干扰他们,也无需担心内存可见性问题。

  注意:as-if-serial只保证单线程环境,多线程环境下无效。那多线程,并发编程下怎么办?

  六、多线程下导致的问题及解决办法

  上面的这些重排序都可能导致多线程程序出现内存可见性问题,JMM那么如何解决?

  l 对于编译器重排序,JMM 的编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排序(不是所有的编译器重排序都要禁止)。

  l 对于处理器重排序,JMM 的处理器重排序规则会要求 Java 编译器在生成指令序列时,插入特定类型的内存屏障指令,通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序(不是所有的处理器重排序都要禁止)。

  JMM属于语言级的内存模型,它确保在不同的编译器和不同的处理器平台之上,通过禁止特定类型的编译器重排序和处理器重排序,为程序员提供一致的内存可见性保证。

  七、什么是内存屏障?

  7.1 内存屏障(Memory Barrier)是一种CPU指令‘。

  内存屏障也称为内存栅栏或栅栏指令,是一种屏障指令,它使CPU或编译器对屏障指令之前和之后发出的内存操作执行一个排序约束。

  7.2 实际运用场景:

  volatile便是基于内存屏障实现的。

  观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现,加入volatile关键字时,会多出一个lock前缀指令。这个指令就相当于一个内存屏障。具体表现为:

  l 当一个volatile 变量时,JMM 会把该线程对应的本地内存中的共享变量值立即刷新到主内存中。

  l 当一个volatile 变量时,JMM 会把该线程对应的本地内存设置为无效,直接从主内存中读取共享变量

  从而保证了,如果某个线程对volatile修饰的共享变量进行更新,那么其他线程可以立马看到这个更新,这就是所谓的线程可见性。

  (注,关于volatile会在后面单章讲解,这里不过于赘婿)

  八、happens-before原则

  从jdk5开始,java使用新的JSR-133内存模型,基于happens-before的概念来阐述操作之间的内存可见性。

  换句话说,在JMM中,如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见,那么这两个操作之间必须存在happens-before关系。

  happens-before原则是JMM中非常重要的原则,它是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据,保证了多线程环境下的可见性。

  这个的两个操作既可以在同一个线程,也可以在不同的两个线程中。

  摘录一些happens-before规则如下:

  1、程序顺序规则:一个线程中的每个操作,happens-before于该线程中任意的后续操作。

  2、监视器锁规则:对一个锁的解锁操作,happens-before于随后对这个锁的加锁操作。

  3、volatile域规则:对一个volatile域的写操作,happens-before于任意线程后续对这个volatile域的读。

  4、传递性规则:如果 A happens-before B,且 B happens-before C,那么A happens-before C。

  注意:两个操作之间具有happens-before关系,并不意味前一个操作必须要在后一个操作之前执行!仅仅要求前一个操作的执行结果,对于后一个操作是可见的,且前一个操作按顺序排在后一个操作之前。

  那么说了那么多规则,来看看happens-before与JMM的关系

  

   (来自书籍:并发编程的艺术)

  九、as-if-serialhappens-before小结

  l as-if-serial语义保证单线程内程序的执行结果不被改变

  l happens-before关系保证正确同步的多线程程序的执行结果不被改变。

  l 其实都是为了在不改变程序执行结果的前提下,尽可能地提高程序执行的并行度。

  十、扯了那么久,这几者如何理解?结论:

  l 重排序是多核CPU等为了性能进行的优化操作,但会导致可见性等问题。为了解决这些问题,所以JMM需要制定一些规则,不让其随意重排序。

  l as-if-serial只保证单线程环境的不可随意重排序,那么多线程下呢?

  l 所以有了happens-before原则,其是JMM(JSR-133内存模型)的规范之一。

  l 内存屏障是CPU指令。

  l 所以说,happens-before是JMM制定的最终目的,内存屏障则是实现happens-before的具体手段。

  

  【并发编程】专题预计更新16到18篇,欢迎持续关注哈

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  (ps:其实就是个 9X后萝莉程序媛,非要自封90后御姐....)

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