Java并發指南2：深入理解Java內存模型JMM

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一：JMM基礎與happens-before

并發編程模型的分類

在并發編程中，我們需要處理兩個關鍵問題：線程之間如何通信及線程之間如何同步（這里的線程是指并發執行的活動實體）。通信是指線程之間以何種機制來交換信息。在命令式編程中，線程之間的通信機制有兩種：共享內存和消息傳遞。

在共享內存的并發模型里，線程之間共享程序的公共狀態，線程之間通過寫-讀內存中的公共狀態來隱式進行通信。在消息傳遞的并發模型里，線程之間沒有公共狀態，線程之間必須通過明確的發送消息來顯式進行通信。

同步是指程序用于控制不同線程之間操作發生相對順序的機制。在共享內存并發模型里，同步是顯式進行的。程序員必須顯式指定某個方法或某段代碼需要在線程之間互斥執行。在消息傳遞的并發模型里，由于消息的發送必須在消息的接收之前，因此同步是隱式進行的。

Java內存模型的抽象

Java的并發采用的是共享內存模型，Java線程之間的通信總是隱式進行，整個通信過程對程序員完全透明。如果編寫多線程程序的Java程序員不理解隱式進行的線程之間通信的工作機制，很可能會遇到各種奇怪的內存可見性問題。

在java中，所有實例域、靜態域和數組元素存儲在堆內存中，堆內存在線程之間共享（本文使用“共享變量”這個術語代指實例域，靜態域和數組元素）。局部變量（Local variables），方法定義參數（java語言規范稱之為formal method parameters）和異常處理器參數（exception handler parameters）不會在線程之間共享，它們不會有內存可見性問題，也不受內存模型的影響。

Java線程之間的通信由Java內存模型（本文簡稱為JMM）控制，JMM決定一個線程對共享變量的寫入何時對另一個線程可見。從抽象的角度來看，JMM定義了線程和主內存之間的抽象關系：線程之間的共享變量存儲在主內存（main memory）中，每個線程都有一個私有的本地內存（local memory），本地內存中存儲了該線程以讀/寫共享變量的副本。本地內存是JMM的一個抽象概念，并不真實存在。它涵蓋了緩存，寫緩沖區，寄存器以及其他的硬件和編譯器優化。Java內存模型的抽象示意圖如下：

從上圖來看，線程A與線程B之間如要通信的話，必須要經歷下面2個步驟：

1. 首先，線程A把本地內存A中更新過的共享變量刷新到主內存中去。
2. 然后，線程B到主內存中去讀取線程A之前已更新過的共享變量。

下面通過示意圖來說明這兩個步驟：

如上圖所示，本地內存A和B有主內存中共享變量x的副本。假設初始時，這三個內存中的x值都為0。線程A在執行時，把更新后的x值（假設值為1）臨時存放在自己的本地內存A中。當線程A和線程B需要通信時，線程A首先會把自己本地內存中修改后的x值刷新到主內存中，此時主內存中的x值變為了1。隨后，線程B到主內存中去讀取線程A更新后的x值，此時線程B的本地內存的x值也變為了1。

從整體來看，這兩個步驟實質上是線程A在向線程B發送消息，而且這個通信過程必須要經過主內存。JMM通過控制主內存與每個線程的本地內存之間的交互，來為java程序員提供內存可見性保證。

重排序

在執行程序時為了提高性能，編譯器和處理器常常會對指令做重排序。重排序分三種類型：

1. 編譯器優化的重排序。編譯器在不改變單線程程序語義的前提下，可以重新安排語句的執行順序。
2. 指令級并行的重排序。現代處理器采用了指令級并行技術（Instruction-Level Parallelism， ILP）來將多條指令重疊執行。如果不存在數據依賴性，處理器可以改變語句對應機器指令的執行順序。
3. 內存系統的重排序。由于處理器使用緩存和讀/寫緩沖區，這使得加載和存儲操作看上去可能是在亂序執行。

從java源代碼到最終實際執行的指令序列，會分別經歷下面三種重排序：

上述的1屬于編譯器重排序，2和3屬于處理器重排序。這些重排序都可能會導致多線程程序出現內存可見性問題。對于編譯器，JMM的編譯器重排序規則會禁止特定類型的編譯器重排序（不是所有的編譯器重排序都要禁止）。對于處理器重排序，JMM的處理器重排序規則會要求java編譯器在生成指令序列時，插入特定類型的內存屏障（memory barriers，intel稱之為memory fence）指令，通過內存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序（不是所有的處理器重排序都要禁止）。

JMM屬于語言級的內存模型，它確保在不同的編譯器和不同的處理器平臺之上，通過禁止特定類型的編譯器重排序和處理器重排序，為程序員提供一致的內存可見性保證。

處理器重排序與內存屏障指令

現代的處理器使用寫緩沖區來臨時保存向內存寫入的數據。寫緩沖區可以保證指令流水線持續運行，它可以避免由于處理器停頓下來等待向內存寫入數據而產生的延遲。同時，通過以批處理的方式刷新寫緩沖區，以及合并寫緩沖區中對同一內存地址的多次寫，可以減少對內存總線的占用。雖然寫緩沖區有這么多好處，但每個處理器上的寫緩沖區，僅僅對它所在的處理器可見。這個特性會對內存操作的執行順序產生重要的影響：處理器對內存的讀/寫操作的執行順序，不一定與內存實際發生的讀/寫操作順序一致！為了具體說明，請看下面示例：

假設處理器A和處理器B按程序的順序并行執行內存訪問，最終卻可能得到x = y = 0的結果。具體的原因如下圖所示：

這里處理器A和處理器B可以同時把共享變量寫入自己的寫緩沖區（A1，B1），然后從內存中讀取另一個共享變量（A2，B2），最后才把自己寫緩存區中保存的臟數據刷新到內存中（A3，B3）。當以這種時序執行時，程序就可以得到x = y = 0的結果。

從內存操作實際發生的順序來看，直到處理器A執行A3來刷新自己的寫緩存區，寫操作A1才算真正執行了。雖然處理器A執行內存操作的順序為：A1->A2，但內存操作實際發生的順序卻是：A2->A1。此時，處理器A的內存操作順序被重排序了（處理器B的情況和處理器A一樣，這里就不贅述了）。

這里的關鍵是，由于寫緩沖區僅對自己的處理器可見，它會導致處理器執行內存操作的順序可能會與內存實際的操作執行順序不一致。由于現代的處理器都會使用寫緩沖區，因此現代的處理器都會允許對寫-讀操做重排序。

下面是常見處理器允許的重排序類型的列表：

上表單元格中的“N”表示處理器不允許兩個操作重排序，“Y”表示允許重排序。

從上表我們可以看出：常見的處理器都允許Store-Load重排序；常見的處理器都不允許對存在數據依賴的操作做重排序。sparc-TSO和x86擁有相對較強的處理器內存模型，它們僅允許對寫-讀操作做重排序（因為它們都使用了寫緩沖區）。

※注1：sparc-TSO是指以TSO(Total Store Order)內存模型運行時，sparc處理器的特性。

※注2：上表中的x86包括x64及AMD64。

※注3：由于ARM處理器的內存模型與PowerPC處理器的內存模型非常類似，本文將忽略它。

※注4：數據依賴性后文會專門說明。

為了保證內存可見性，java編譯器在生成指令序列的適當位置會插入內存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序。JMM把內存屏障指令分為下列四類：

StoreLoad Barriers是一個“全能型”的屏障，它同時具有其他三個屏障的效果。現代的多處理器大都支持該屏障（其他類型的屏障不一定被所有處理器支持）。執行該屏障開銷會很昂貴，因為當前處理器通常要把寫緩沖區中的數據全部刷新到內存中（buffer fully flush）。

happens-before

從JDK5開始，java使用新的JSR -133內存模型（本文除非特別說明，針對的都是JSR- 133內存模型）。JSR-133提出了happens-before的概念，通過這個概念來闡述操作之間的內存可見性。如果一個操作執行的結果需要對另一個操作可見，那么這兩個操作之間必須存在happens-before關系。這里提到的兩個操作既可以是在一個線程之內，也可以是在不同線程之間。 與程序員密切相關的happens-before規則如下：

• 程序順序規則：一個線程中的每個操作，happens- before 于該線程中的任意后續操作。
• 監視器鎖規則：對一個監視器鎖的解鎖，happens- before 于隨后對這個監視器鎖的加鎖。
• volatile變量規則：對一個volatile域的寫，happens- before 于任意后續對這個volatile域的讀。
• 傳遞性：如果A happens- before B，且B happens- before C，那么A happens- before C。

注意，兩個操作之間具有happens-before關系，并不意味著前一個操作必須要在后一個操作之前執行！happens-before僅僅要求前一個操作（執行的結果）對后一個操作可見，且前一個操作按順序排在第二個操作之前（the first is visible to and ordered before the second）。happens- before的定義很微妙，后文會具體說明happens-before為什么要這么定義。

happens-before與JMM的關系如下圖所示：

如上圖所示，一個happens-before規則通常對應于多個編譯器重排序規則和處理器重排序規則。對于java程序員來說，happens-before規則簡單易懂，它避免程序員為了理解JMM提供的內存可見性保證而去學習復雜的重排序規則以及這些規則的具體實現。

二：重排序與JMM的as-if-serial

數據依賴性

如果兩個操作訪問同一個變量，且這兩個操作中有一個為寫操作，此時這兩個操作之間就存在數據依賴性。數據依賴分下列三種類型：

上面三種情況，只要重排序兩個操作的執行順序，程序的執行結果將會被改變。

注意，這里所說的數據依賴性僅針對單個處理器中執行的指令序列和單個線程中執行的操作，不同處理器之間和不同線程之間的數據依賴性不被編譯器和處理器考慮。前面提到過，編譯器和處理器可能會對操作做重排序。編譯器和處理器在重排序時，會遵守數據依賴性，編譯器和處理器不會改變存在數據依賴關系的兩個操作的執行順序。

as-if-serial語義

as-if-serial語義的意思指：不管怎么重排序（編譯器和處理器為了提高并行度），（單線程）程序的執行結果不能被改變。編譯器，runtime 和處理器都必須遵守as-if-serial語義。

為了遵守as-if-serial語義，編譯器和處理器不會對存在數據依賴關系的操作做重排序，因為這種重排序會改變執行結果。但是，如果操作之間不存在數據依賴關系，這些操作可能被編譯器和處理器重排序。為了具體說明，請看下面計算圓面積的代碼示例：

double pi = 3.14; //A

double r = 1.0; //B

double area = pi * r * r; //C

上面三個操作的數據依賴關系如下圖所示：

如上圖所示，A和C之間存在數據依賴關系，同時B和C之間也存在數據依賴關系。因此在最終執行的指令序列中，C不能被重排序到A和B的前面（C排到A和B的前面，程序的結果將會被改變）。但A和B之間沒有數據依賴關系，編譯器和處理器可以重排序A和B之間的執行順序。下圖是該程序的兩種執行順序：

as-if-serial語義把單線程程序保護了起來，遵守as-if-serial語義的編譯器，runtime 和處理器共同為編寫單線程程序的程序員創建了一個幻覺：單線程程序是按程序的順序來執行的。as-if-serial語義使單線程程序員無需擔心重排序會干擾他們，也無需擔心內存可見性問題。

程序順序規則

根據happens- before的程序順序規則，上面計算圓的面積的示例代碼存在三個happens- before關系：

1. A happens- before B；
2. B happens- before C；
3. A happens- before C；

這里的第3個happens- before關系，是根據happens- before的傳遞性推導出來的。

這里A happens- before B，但實際執行時B卻可以排在A之前執行（看上面的重排序后的執行順序）。在第一章提到過，如果A happens- before B，JMM并不要求A一定要在B之前執行。JMM僅僅要求前一個操作（執行的結果）對后一個操作可見，且前一個操作按順序排在第二個操作之前。這里操作A的執行結果不需要對操作B可見；而且重排序操作A和操作B后的執行結果，與操作A和操作B按happens- before順序執行的結果一致。在這種情況下，JMM會認為這種重排序并不非法（not illegal），JMM允許這種重排序。

在計算機中，軟件技術和硬件技術有一個共同的目標：在不改變程序執行結果的前提下，盡可能的開發并行度。編譯器和處理器遵從這一目標，從happens- before的定義我們可以看出，JMM同樣遵從這一目標。

重排序對多線程的影響

現在讓我們來看看，重排序是否會改變多線程程序的執行結果。請看下面的示例代碼：

class ReorderExample {

int a = 0;

boolean flag = false;

public void writer() {

a = 1; //1

flag = true; //2

}

Public void reader() {

if (flag) { //3

int i = a * a; //4

……

}

}

}

flag變量是個標記，用來標識變量a是否已被寫入。這里假設有兩個線程A和B，A首先執行writer()方法，隨后B線程接著執行reader()方法。線程B在執行操作4時，能否看到線程A在操作1對共享變量a的寫入？

答案是：不一定能看到。

由于操作1和操作2沒有數據依賴關系，編譯器和處理器可以對這兩個操作重排序；同樣，操作3和操作4沒有數據依賴關系，編譯器和處理器也可以對這兩個操作重排序。讓我們先來看看，當操作1和操作2重排序時，可能會產生什么效果？請看下面的程序執行時序圖：

如上圖所示，操作1和操作2做了重排序。程序執行時，線程A首先寫標記變量flag，隨后線程B讀這個變量。由于條件判斷為真，線程B將讀取變量a。此時，變量a還根本沒有被線程A寫入，在這里多線程程序的語義被重排序破壞了！

※注：本文統一用紅色的虛箭線表示錯誤的讀操作，用綠色的虛箭線表示正確的讀操作。

下面再讓我們看看，當操作3和操作4重排序時會產生什么效果（借助這個重排序，可以順便說明控制依賴性）。下面是操作3和操作4重排序后，程序的執行時序圖：

在程序中，操作3和操作4存在控制依賴關系。當代碼中存在控制依賴性時，會影響指令序列執行的并行度。為此，編譯器和處理器會采用猜測（Speculation）執行來克服控制相關性對并行度的影響。以處理器的猜測執行為例，執行線程B的處理器可以提前讀取并計算a*a，然后把計算結果臨時保存到一個名為重排序緩沖（reorder buffer ROB）的硬件緩存中。當接下來操作3的條件判斷為真時，就把該計算結果寫入變量i中。

從圖中我們可以看出，猜測執行實質上對操作3和4做了重排序。重排序在這里破壞了多線程程序的語義！

在單線程程序中，對存在控制依賴的操作重排序，不會改變執行結果（這也是as-if-serial語義允許對存在控制依賴的操作做重排序的原因）；但在多線程程序中，對存在控制依賴的操作重排序，可能會改變程序的執行結果。

三：順序一致性內存模型與JMM

數據競爭與順序一致性保證

當程序未正確同步時，就會存在數據競爭。java內存模型規范對數據競爭的定義如下：

• 在一個線程中寫一個變量，
• 在另一個線程讀同一個變量，
• 而且寫和讀沒有通過同步來排序。

當代碼中包含數據競爭時，程序的執行往往產生違反直覺的結果（前一章的示例正是如此）。如果一個多線程程序能正確同步，這個程序將是一個沒有數據競爭的程序。

JMM對正確同步的多線程程序的內存一致性做了如下保證：

• 如果程序是正確同步的，程序的執行將具有順序一致性（sequentially consistent）--即程序的執行結果與該程序在順序一致性內存模型中的執行結果相同（馬上我們將會看到，這對于程序員來說是一個極強的保證）。這里的同步是指廣義上的同步，包括對常用同步原語（lock，volatile和final）的正確使用。

順序一致性內存模型

順序一致性內存模型是一個被計算機科學家理想化了的理論參考模型，它為程序員提供了極強的內存可見性保證。順序一致性內存模型有兩大特性：

• 一個線程中的所有操作必須按照程序的順序來執行。
• （不管程序是否同步）所有線程都只能看到一個單一的操作執行順序。在順序一致性內存模型中，每個操作都必須原子執行且立刻對所有線程可見。

順序一致性內存模型為程序員提供的視圖如下：

在概念上，順序一致性模型有一個單一的全局內存，這個內存通過一個左右擺動的開關可以連接到任意一個線程。同時，每一個線程必須按程序的順序來執行內存讀/寫操作。從上圖我們可以看出，在任意時間點最多只能有一個線程可以連接到內存。當多個線程并發執行時，圖中的開關裝置能把所有線程的所有內存讀/寫操作串行化。

為了更好的理解，下面我們通過兩個示意圖來對順序一致性模型的特性做進一步的說明。

假設有兩個線程A和B并發執行。其中A線程有三個操作，它們在程序中的順序是：A1->A2->A3。B線程也有三個操作，它們在程序中的順序是：B1->B2->B3。

假設這兩個線程使用監視器來正確同步：A線程的三個操作執行后釋放監視器，隨后B線程獲取同一個監視器。那么程序在順序一致性模型中的執行效果將如下圖所示：

現在我們再假設這兩個線程沒有做同步，下面是這個未同步程序在順序一致性模型中的執行示意圖：

未同步程序在順序一致性模型中雖然整體執行順序是無序的，但所有線程都只能看到一個一致的整體執行順序。以上圖為例，線程A和B看到的執行順序都是：B1->A1->A2->B2->A3->B3。之所以能得到這個保證是因為順序一致性內存模型中的每個操作必須立即對任意線程可見。

但是，在JMM中就沒有這個保證。未同步程序在JMM中不但整體的執行順序是無序的，而且所有線程看到的操作執行順序也可能不一致。比如，在當前線程把寫過的數據緩存在本地內存中，且還沒有刷新到主內存之前，這個寫操作僅對當前線程可見；從其他線程的角度來觀察，會認為這個寫操作根本還沒有被當前線程執行。只有當前線程把本地內存中寫過的數據刷新到主內存之后，這個寫操作才能對其他線程可見。在這種情況下，當前線程和其它線程看到的操作執行順序將不一致。

同步程序的順序一致性效果

下面我們對前面的示例程序ReorderExample用監視器來同步，看看正確同步的程序如何具有順序一致性。

請看下面的示例代碼：

class SynchronizedExample {

int a = 0;

boolean flag = false;

public synchronized void writer() {

a = 1;

flag = true;

}

public synchronized void reader() {

if (flag) {

int i = a;

……

}

}

}

上面示例代碼中，假設A線程執行writer()方法后，B線程執行reader()方法。這是一個正確同步的多線程程序。根據JMM規范，該程序的執行結果將與該程序在順序一致性模型中的執行結果相同。下面是該程序在兩個內存模型中的執行時序對比圖：

在順序一致性模型中，所有操作完全按程序的順序串行執行。而在JMM中，臨界區內的代碼可以重排序（但JMM不允許臨界區內的代碼“逸出”到臨界區之外，那樣會破壞監視器的語義）。JMM會在退出監視器和進入監視器這兩個關鍵時間點做一些特別處理，使得線程在這兩個時間點具有與順序一致性模型相同的內存視圖（具體細節后文會說明）。雖然線程A在臨界區內做了重排序，但由于監視器的互斥執行的特性，這里的線程B根本無法“觀察”到線程A在臨界區內的重排序。這種重排序既提高了執行效率，又沒有改變程序的執行結果。

從這里我們可以看到JMM在具體實現上的基本方針：在不改變（正確同步的）程序執行結果的前提下，盡可能的為編譯器和處理器的優化打開方便之門。

未同步程序的執行特性

對于未同步或未正確同步的多線程程序，JMM只提供最小安全性：線程執行時讀取到的值，要么是之前某個線程寫入的值，要么是默認值（0，null，false），JMM保證線程讀操作讀取到的值不會無中生有（out of thin air）的冒出來。為了實現最小安全性，JVM在堆上分配對象時，首先會清零內存空間，然后才會在上面分配對象（JVM內部會同步這兩個操作）。因此，在以清零的內存空間（pre-zeroed memory）分配對象時，域的默認初始化已經完成了。

JMM不保證未同步程序的執行結果與該程序在順序一致性模型中的執行結果一致。因為未同步程序在順序一致性模型中執行時，整體上是無序的，其執行結果無法預知。保證未同步程序在兩個模型中的執行結果一致毫無意義。

和順序一致性模型一樣，未同步程序在JMM中的執行時，整體上也是無序的，其執行結果也無法預知。同時，未同步程序在這兩個模型中的執行特性有下面幾個差異：

1. 順序一致性模型保證單線程內的操作會按程序的順序執行，而JMM不保證單線程內的操作會按程序的順序執行（比如上面正確同步的多線程程序在臨界區內的重排序）。這一點前面已經講過了，這里就不再贅述。
2. 順序一致性模型保證所有線程只能看到一致的操作執行順序，而JMM不保證所有線程能看到一致的操作執行順序。這一點前面也已經講過，這里就不再贅述。
3. JMM不保證對64位的long型和double型變量的讀/寫操作具有原子性，而順序一致性模型保證對所有的內存讀/寫操作都具有原子性。

第3個差異與處理器總線的工作機制密切相關。在計算機中，數據通過總線在處理器和內存之間傳遞。每次處理器和內存之間的數據傳遞都是通過一系列步驟來完成的，這一系列步驟稱之為總線事務（bus transaction）。總線事務包括讀事務（read transaction）和寫事務（write transaction）。讀事務從內存傳送數據到處理器，寫事務從處理器傳送數據到內存，每個事務會讀/寫內存中一個或多個物理上連續的字。這里的關鍵是，總線會同步試圖并發使用總線的事務。在一個處理器執行總線事務期間，總線會禁止其它所有的處理器和I/O設備執行內存的讀/寫。下面讓我們通過一個示意圖來說明總線的工作機制：

如上圖所示，假設處理器A，B和C同時向總線發起總線事務，這時總線仲裁（bus arbitration）會對競爭作出裁決，這里我們假設總線在仲裁后判定處理器A在競爭中獲勝（總線仲裁會確保所有處理器都能公平的訪問內存）。此時處理器A繼續它的總線事務，而其它兩個處理器則要等待處理器A的總線事務完成后才能開始再次執行內存訪問。假設在處理器A執行總線事務期間（不管這個總線事務是讀事務還是寫事務），處理器D向總線發起了總線事務，此時處理器D的這個請求會被總線禁止。

總線的這些工作機制可以把所有處理器對內存的訪問以串行化的方式來執行；在任意時間點，最多只能有一個處理器能訪問內存。這個特性確保了單個總線事務之中的內存讀/寫操作具有原子性。

在一些32位的處理器上，如果要求對64位數據的讀/寫操作具有原子性，會有比較大的開銷。為了照顧這種處理器，java語言規范鼓勵但不強求JVM對64位的long型變量和double型變量的讀/寫具有原子性。當JVM在這種處理器上運行時，會把一個64位long/ double型變量的讀/寫操作拆分為兩個32位的讀/寫操作來執行。這兩個32位的讀/寫操作可能會被分配到不同的總線事務中執行，此時對這個64位變量的讀/寫將不具有原子性。

當單個內存操作不具有原子性，將可能會產生意想不到后果。請看下面示意圖：

如上圖所示，假設處理器A寫一個long型變量，同時處理器B要讀這個long型變量。處理器A中64位的寫操作被拆分為兩個32位的寫操作，且

這兩個32位的寫操作被分配到不同的寫事務中執行。同時處理器B中64位的讀操作被拆分為兩個32位的讀操作，且這兩個32位的讀操作被分配到同一個的讀事務中執行。當處理器A和B按上圖的時序來執行時，處理器B將看到僅僅被處理器A“寫了一半“的無效值。