java-memory-model

深藏阁楼爱情的钟 2022-08-21 02:22 8阅读 0赞

本文是InfoQ上的《深入理解Java内存模型》 java-memory-model 系列文章汇总列表。同时列举了每篇文章的主要内容：

# 深入理解Java内存模型（一）——基础 #

http://www.infoq.com/cn/articles/java-memory-model-1

\--内容摘要：

## 重排序 ##

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：

![33.png][]

## 处理器重排序与内存屏障指令 ##

为了保证内存可见性，java编译器在生成指令序列的适当位置会插入内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。JMM把内存屏障指令分为下列四类：

<table style="border-collapse:collapse; border-spacing:0px; margin:10px 0px; border:1px solid rgb(224,224,224); padding:0px; color:rgb(0,0,0); font-family:'Lantinghei SC','Open Sans',Arial,'Hiragino Sans GB','Microsoft YaHei',微软雅黑,STHeiti,'WenQuanYi Micro Hei',SimSun,Helvetica,sans-serif; font-size:14px; line-height:25.2px"> 
 <tbody style="margin:0px; border:0px; padding:0px"> 
  <tr style="margin:0px; border:0px; padding:0px"> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">屏障类型</td> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">指令示例</td> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">说明</td> 
  </tr> 
  <tr style="margin:0px; border:0px; padding:0px"> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">LoadLoad Barriers</td> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">Load1; LoadLoad; Load2</td> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">确保Load1数据的装载，之前于Load2及所有后续装载指令的装载。</td> 
  </tr> 
  <tr style="margin:0px; border:0px; padding:0px"> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">StoreStore Barriers</td> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">Store1; StoreStore; Store2</td> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">确保Store1数据对其他处理器可见（刷新到内存），之前于Store2及所有后续存储指令的存储。</td> 
  </tr> 
  <tr style="margin:0px; border:0px; padding:0px"> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">LoadStore Barriers</td> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">Load1; LoadStore; Store2</td> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">确保Load1数据装载，之前于Store2及所有后续的存储指令刷新到内存。</td> 
  </tr> 
  <tr style="margin:0px; border:0px; padding:0px"> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">StoreLoad Barriers</td> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">Store1; StoreLoad; Load2</td> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">确保Store1数据对其他处理器变得可见（指刷新到内存），之前于Load2及所有后续装载指令的装载。StoreLoad Barriers会使该屏障之前的所有内存访问指令（存储和装载指令）完成之后，才执行该屏障之后的内存访问指令。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## happens-before ##

从JDK5开始，java使用新的JSR -133内存模型（本文除非特别说明，针对的都是JSR- 133内存模型）。JSR-133提出了happens-before的概念，通过这个概念来阐述操作之间的内存可见性。

# 深入理解Java内存模型（二）——重排序 #

http://www.infoq.com/cn/articles/java-memory-model-2

\--内容摘要：

## 数据依赖性 ##

数据依赖分下列三种类型：

编译器和处理器在重排序时，会遵守数据依赖性，编译器和处理器不会改变存在数据依赖关系的两个操作的执行顺序。

## as-if-serial语义 ##

as-if-serial语义的意思指：不管怎么重排序（编译器和处理器为了提高并行度），（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。

为了遵守as-if-serial语义，编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序，因为这种重排序会改变执行结果。但是，如果操作之间不存在数据依赖关系，这些操作可能被编译器和处理器重排序。

## 重排序对多线程的影响 ##

一个重排序的例子。

在单线程程序中，对存在控制依赖的操作重排序，不会改变执行结果（这也是as-if-serial语义允许对存在控制依赖的操作做重排序的原因）；但在多线程程序中，对存在控制依赖的操作重排序，可能会改变程序的执行结果。

# 深入理解Java内存模型（三）——顺序一致性 #

http://www.infoq.com/cn/articles/java-memory-model-3

\--内容摘要：

## 数据竞争与顺序一致性保证 ##

JMM对正确同步的多线程程序的内存一致性做了如下保证：

如果程序是正确同步的，程序的执行将具有顺序一致性（sequentially consistent）--即程序的执行结果与该程序在顺序一致性内存模型中的执行结果相同（马上我们将会看到，这对于程序员来说是一个极强的保证）。这里的同步是指广义上的同步，包括对常用同步原语（lock，volatile和final）的正确使用。

# 深入理解Java内存模型（四）——volatile #

http://www.infoq.com/cn/articles/java-memory-model-4

\--内容摘要：

## volatile的特性 ##

简而言之，volatile变量自身具有下列特性：

*  可见性。对一个volatile变量的读，总是能看到（任意线程）对这个volatile变量最后的写入。
 *  原子性：对任意单个volatile变量的读/写具有原子性，但类似于volatile++这种复合操作不具有原子性。

## volatile写-读建立的happens before关系 ##

## volatile写-读的内存语义 ##

volatile写的内存语义如下：

*  当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存。

volatile读的内存语义如下：

*  当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。线程接下来将从主内存中读取共享变量。

## volatile内存语义的实现 ##

下面，让我们来看看JMM如何实现volatile写/读的内存语义。

前文我们提到过重排序分为编译器重排序和处理器重排序。为了实现volatile内存语义，JMM会分别限制这两种类型的重排序类型。下面是JMM针对编译器制定的volatile重排序规则表：

<table style="border-collapse:collapse; border-spacing:0px; margin:10px 0px; border:1px solid rgb(224,224,224); padding:0px; color:rgb(0,0,0); font-family:'Lantinghei SC','Open Sans',Arial,'Hiragino Sans GB','Microsoft YaHei',微软雅黑,STHeiti,'WenQuanYi Micro Hei',SimSun,Helvetica,sans-serif; font-size:14px; line-height:25.2px"> 
 <tbody style="margin:0px; border:0px; padding:0px"> 
  <tr style="margin:0px; border:0px; padding:0px"> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">是否能重排序</td> 
   <td colspan="3" style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)"> 第二个操作</td> 
  </tr> 
  <tr style="margin:0px; border:0px; padding:0px"> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">第一个操作</td> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">普通读/写</td> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">volatile读</td> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">volatile写</td> 
  </tr> 
  <tr style="margin:0px; border:0px; padding:0px"> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">普通读/写</td> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">&nbsp;</td> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">&nbsp;</td> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">NO</td> 
  </tr> 
  <tr style="margin:0px; border:0px; padding:0px"> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">volatile读</td> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">NO</td> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">NO</td> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">NO</td> 
  </tr> 
  <tr style="margin:0px; border:0px; padding:0px"> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">volatile写</td> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">&nbsp;</td> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">NO</td> 
   <td style="margin:0px; padding:0px; border:1px solid rgb(224,224,224)">NO</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

为了实现volatile的内存语义，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。对于编译器来说，发现一个最优布置来最小化插入屏障的总数几乎不可能，为此，JMM采取保守策略。下面是基于保守策略的JMM内存屏障插入策略：

*  在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。
 *  在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。
 *  在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障。
 *  在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

上述volatile写和volatile读的内存屏障插入策略非常保守。在实际执行时，只要不改变volatile写-读的内存语义，编译器可以根据具体情况省略不必要的屏障。

# 深入理解Java内存模型（五）——锁 #

http://www.infoq.com/cn/articles/java-memory-model-5

\--内容摘要：

## 锁的释放-获取建立的happens before 关系 ##

## 锁释放和获取的内存语义 ##

当线程释放锁时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存中。

当线程获取锁时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。从而使得被监视器保护的临界区代码必须要从主内存中去读取共享变量。

对比锁释放-获取的内存语义与volatile写-读的内存语义，可以看出：锁释放与volatile写有相同的内存语义；锁获取与volatile读有相同的内存语义。

## 锁内存语义的实现 ##

本文将借助ReentrantLock的源代码，来分析锁内存语义的具体实现机制。

本文把java（sun.misc.Unsafe类）的compareAndSet()方法调用简称为CAS。

现在对公平锁和非公平锁的内存语义做个总结：

*  公平锁和非公平锁释放时，最后都要写一个volatile变量state。
 *  公平锁获取时，首先会去读这个volatile变量。
 *  非公平锁获取时，首先会用CAS更新这个volatile变量,这个操作同时具有volatile读和volatile写的内存语义。

从本文对ReentrantLock的分析可以看出，锁释放-获取的内存语义的实现至少有下面两种方式：

1.  利用volatile变量的写-读所具有的内存语义。
2.  利用CAS所附带的volatile读和volatile写的内存语义。

## concurrent包的实现 ##

由于java的CAS同时具有 volatile 读和volatile写的内存语义，因此Java线程之间的通信现在有了下面四种方式：

1.  A线程写volatile变量，随后B线程读这个volatile变量。
2.  A线程写volatile变量，随后B线程用CAS更新这个volatile变量。
3.  A线程用CAS更新一个volatile变量，随后B线程用CAS更新这个volatile变量。
4.  A线程用CAS更新一个volatile变量，随后B线程读这个volatile变量。

如果我们仔细分析concurrent包的源代码实现，会发现一个通用化的实现模式：

1.  首先，声明共享变量为volatile；
2.  然后，使用CAS的原子条件更新来实现线程之间的同步；
3.  同时，配合以volatile的读/写和CAS所具有的volatile读和写的内存语义来实现线程之间的通信。

AQS，非阻塞数据结构和原子变量类（java.util.concurrent.atomic包中的类），这些concurrent包中的基础类都是使用这种模式来实现的，而concurrent包中的高层类又是依赖于这些基础类来实现的。从整体来看，concurrent包的实现示意图如下：

![55.png][]

[33.png]: http://cdn4.infoqstatic.com/statics_s2_20160301-0105u1/resource/articles/java-memory-model-1/zh/resources/33.png
[55.png]: http://cdn4.infoqstatic.com/statics_s1_20160301-0105u1/resource/articles/java-memory-model-5/zh/resources/55.png

java-memory-model

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