「原创」Java并发编程系列04 Java内存模型详解

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  思维导图

  

  写在前面

  前面讲解了并发编程的三大核心问题:原子性、可见性、有序性。文章见:【原创】Java并发编程系列03 | 重排序-可见性和有序性问题根源

  那么,作为从最开始就支持并发的语言,Java是如何解决这些核心问题的呢?

  1. JMM抽象结构模型

  JMM抽象结构模型

  JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系:

  线程之间的共享变量存储在主内存中

  每个线程都有一个私有的本地内存,本地内存中存储了该线程用以读/写共享变量的副本

  

共享变量:堆内存在线程之间共享,存储在堆内存中所有实例域、静态域和数组元素都是共享变量

  

  Java内存模型

  线程之间通信

  线程A与线程B通信:

  线程A把本地内存A中的共享变量刷新到主内存中去。

  线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。

  从整体来看,这个过程就是线程A在向线程B发送消息。这个通信过程必须要经过主内存。JMM通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互,来为Java程序员提供内存可见性保证。

  举例:

  public class JMMTest { static int a = 0;// 主内存中的共享变量 public static void main(String[] args) { new Thread() { public void run() { a = 1;// 线程本地内存中操作共享变量a,并将a=1刷新到猪内存中 while(true) {// 测试用,为了保持线程运行 } }; }.start(); new Thread() { public void run() { System.out.println(a);// 线程到主内存中读取变量a while(true) { } }; }.start(); }}

  两个线程之间的通信过程如下图:

  

  2. JMM解决可见性和有序性问题

  要求程序员都去搞懂重排序以及JMM内存屏障再去编程是不现实的。

  JMM提供了简单易懂的happens-before原则,并向程序员保证执行并发程序会遵守happens-before原则。

  程序员只需理解happens-before原则,按照happens-before原则写并发代码,就能保证内存可见性和有序性。

  JMM的设计

  1.程序员对内存模型的使用

  程序员希望内存模型易于理解、易于编程。程序员希望基于一个强内存模型来编写代码。

  JMM向程序员提供的happens-before规则,简单易懂且提供了足够强的内存可见性保证。程序员可以把happens-before规则当做强内存模型看待。

  2.编译器和处理器对内存模型的实现

  编译器和处理器希望内存模型对它们的束缚越少越好,这样它们就可以做尽可能多的优化来提高性能。编译器和处理器希望实现一个弱内存模型。

  

JMM遵循一个基本原则:只要不改变程序的执行结果(指的是单线程程序和正确同步的多线程程序),编译器和处理器怎么优化都行。

  例如这些优化既不会改变程序的执行结果,又能提高程序的执行效率。

  1.如果编译器经过细致的分析后,认定一个锁只会被单个线程访问,那么这个锁可以被消除。2.如果编译器经过细致的分析后,认定一个volatile变量只会被单个线程访问,那么编译器可以把这个volatile变量当作一个普通变量来对待。

  如图,程序员、happens-before、JMM之间的关系:

  

  3. happens-before

  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。

  

两个操作可以是单线程或多线程,happens-before解决的就是多线程内存可见性问题。区分数据依赖性和as-if-seial针对单线程。

  happens-before原则定义如下:

  1)一个操作happens-before另一个操作,那么第一个操作的执行结果将对第二个操作可见,而且第一个操作的执行顺序排在第二个操作之前。

  2)两个操作之间存在happens-before关系,并不意味着一定要按照happens-before原则制定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果与按照happens-before关系来执行的结果一致,那么这种重排序并不非法。

  happens-before原则规则:

  1)程序次序规则:一个线程内,按照代码顺序,书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作;2)锁定规则:一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁额lock操作;3)volatile变量规则:对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作;4)传递规则:如果操作A先行发生于操作B,而操作B又先行发生于操作C,则可以得出操作A先行发生于操作C;5)线程启动规则:Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个一个动作;6)线程中断规则: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;7)线程终结规则:线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测,我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行;8)对象终结规则:一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始;

JMM与原子性问题
Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作,如果要实现更大范围操作的原子性,需要通过互斥加锁synchronized和Lock来实现。

  总结

  JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系,共享变量存储在主内存中,线程本地内存中存储了该线程用以读/写共享变量的副本。

  JMM向程序员提供的happens-before规则来解决可见性和有序性问题。

  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。

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