Java内存模型与线程

本文内容包括Java内存模型的介绍,主内存与工作内存的区别,内存之间如何交互操作,内存操作需要满足的规则,volatile变量作用,原子性、可见性、有序性,以及Java内存模型中的先行发生原则。

 

Java内存模型基本概念

处理器需要与内存交互,如读取运算数据、存储运算结果等,这个I/O操作是很难消除的(无法仅靠寄存器来完成所有运算任务),由于计算机的存储设备与处理器的运算速度有几个数量级的差距,所以现代计算机系统都不得不加入一层读写速度尽可能接近处理器运算速度的高速缓存在作为内存与处理器之间的缓冲:将运算需要使用到的数据复制到缓存中,让运算能够快速进行,但运算结束后再从缓存同步回内存之中,这样处理器就无须等待缓慢的内存读写了。

 

Java内存模型

主内存与工作内存

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存(Main Memory)中(此处的主内存与介绍物理硬件时的主内存名字一样,两者也可以互相类比,但此处仅是虚拟机内存的一部分)。每条线程还有自己的工作内存(Working Memory,可与前面讲的处理器高速缓存类比),线程的工作内存中保存了该线程使用到的变量的主内存副本拷贝,线程对变量的操作都必须在工作内存中进行,而不能直接读写主内存中的变量。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量。关系如下图:

《Java内存模型与线程》

内存间交互操作

关于主内存与工作内存之间具体的交互协议,Java内存模型中定义了以下8种操作来完成,虚拟机实现时必须保证下面提及的每一种操作都是原子的、不可再分的(对于double和long类型来说,load、store、read和write操作可能有例外)(最新的文档中,已经放弃了采用这8种操作去定义访问协议,但是只是描述方式改变了,Java内存模型并没有改变):

  1. lock(锁定):作用于主内存的变量,它把一个变量标识为一条线程独占的状态
  2. unlock(解锁):作用于主内存的变量,它把一个处于锁定状态的变量释放出来,释放后的变量才能被其他线程锁定
  3. read(读取):作用于主内存的变量,它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中,以便随后的load动作使用
  4. load(载入):作用于工作内存的变量,把read读到的值放入工作内存的变量副本中
  5. use(使用):作用于工作内存的变量,把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎,当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值的字节码指令将会执行这个操作
  6. assign(赋值):作用于工作内存的变量,它把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量,每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作
  7. store(存储):作用于工作内存的变量,它把工作内存中的一个变量的值传递到主内存中,以便随后的 write 操作使用
  8. write(写入):作用于主内存的变量,它把 store 操作从工作内存中得到的变量值放入主内存的变量中

对于上面8中操作,必须满足如下规则

  1. 不允许 read 和 load、store 和 write 操作之一单独出现,以上两个操作必须按顺序执行,但没有保证必须连续执行,也就是说,read 与 load 之间、store 与 write 之间是可插入其他指令的
  2. 不允许一个线程丢弃它的最近的 assign 操作,即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存
  3. 不允许一个线程无原因地(没有发生过任何 assign 操作)把数据从线程的工作内存同步回主内存中
  4. 一个新的变量只能从主内存中“诞生”,不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化(load 或 assign)的变量,换句话说就是对一个变量实施 use 和 store 操作之前,必须先执行过了 assign 和 load 操作
  5. 一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其执行 lock 操作,但 lock 操作可以被同一个条线程重复执行多次,多次执行 lock 后,只有执行相同次数的 unlock 操作,变量才会被解锁
  6. 如果对一个变量执行 lock 操作,将会清空工作内存中此变量的值,在执行引擎使用这个变量前,需要重新执行 load 或 assign 操作初始化变量的值
  7. 如果一个变量实现没有被 lock 操作锁定,则不允许对它执行 unlock 操作,也不允许去 unlock 一个被其他线程锁定的变量
  8. 对一个变量执行 unlock 操作之前,必须先把此变量同步回主内存(执行 store 和 write 操作)

对于volatile变量的特殊规则

对于volatile型变量,在进行read、load、user、assign、store和write操作时需要满足如下规则(T表示一个线程,V和W表示两个volatile型变量):

  1. 只有当线程T对变量V执行的前一个动作是load的时候,线程T才能对变量V执行use动作;并且,只有当线程T对变量V执行的后一个操作是use的时候,线程T才能对变量V执行load动作。(这条规则要求在工作内存中,每次使用V之前都必须从主存中刷新最新的值。read->load->use必须连续执行
  2. 只有当线程T对变量V执行的前一个动作是assign时,线程T才能对变量V执行store动作;并且,只有当线程T毒变量V执行的后一个动作是store时,线程T才能对变量V执行assign操作。(这条规则要求在工作内存中,每次修改V后都必须立刻同步回主存中。volatile变量后assign->store->srite必须连续执行
  3. 假定动作A是线程T对变量V实施的use或assign动作,假定动作F是和动作A相关联的load或store动作,假定动作P是和动作F相应的对变量V的read或write动作;类似的,假定动作B是线程T对变量W实施的use或assign动作,假定动作G是和动作B相关联的load或store动作,假定动作Q是和动作G相应的对变量W的read或write动作。 如果A先于B,那么P先于Q(这条规则保证变量不会被指令重排序优化

volatile保证了可见性,但是并不能保证原子性,因此i++并不是线程安全的,即使i是volatile变量。

volatile使用场景

  1. 运算结果并不依赖变量当前值,或者能够确保还有单一的线程修改变量的值
  2. 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束

单例模式中的双重检验锁就可以用volatile。

对于long和double型变量的特殊规则

Java内存模型要求lock、 unlock、 read、 load、 assign、 use、 store、 write这8个操作都具有原子性,但是对于64位的数据类型(long和double),在模型中特别定义了一条相对宽松的规定:允许虚拟机将没有被volatile修饰的64位数据的读写操作划分为两次32位的操作来进行,即允许虚拟机实现选择可以不保证64位数据类型的load、 store、 read和write这4个操作的原子性,这点就是所谓的long和double的非原子性协定。

 

Java内存模型中的原子性、可见性和有序性

原子性:由Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、 load、assign、 use、 store和write

可见性:可见性是指当一个线程修改了共享变量的值,其他线程能够立即得知这个修改。

有序性:如果在本线程内观察,所有的操作都是有序的;如果在一个线程中观察另一个线程,所有的操作都是无序的(通过volatile和synchronized可以来保证有序性)。

 

Java内存模型中先行发生原则(happens-before)

  1. 程序次序规则(Program Order Rule):在一个线程内,按照程序代码顺序,书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。 准确地说,应该是控制流顺序而不是程序代码顺序,因为要考虑分支、循环等结构
  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。 这里必须强调的是同一个锁,而“后面”是指时间上的先后顺序。
  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,这里的“后面”同样是指时间上的先后顺序
  4. 线程启动规则(Thread Start Rule):Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作
  5. 线程终止规则(Thread Termination Rule):线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测,我们可以通过Thread.join()方法结束、 Thread.isAlive()的返回值等手段检测到线程已经终止执行。
  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,那就可以得出操作A先行发生于操作C的结论
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