并发系列之JMM内存模型

约定不等于承诺〃 2022-11-16 04:50 240阅读 0赞

### 并发系列之JMM内存模型 ###

*   *  1、JMM的介绍
     *  2、内存模型抽象结构
     *  3、重排序
     *  4、 happens-before规则
     *   *  4.1、 happens-before定义
         *  4.2、具体规则
     *  5、总结
     *   *  5.1、JMM的设计
         *  5.2、happens-before与JMM的关系
     *  6、往期佳文
     *   *  6.1、面试系列
         *  6.2、技术系列
         *  6.3、源码系列
         *  6.4、数据结构和算法系列
         *  6.5、多线程系列

## 1、JMM的介绍 ##

JMM定义了程序中各个共享变量的访问规则，即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存读取变量这样的底层细节。  
       根据JMM的设计，系统存在一个主内存(Main Memory),Java中所有实例变量都储存在主存中，对于所有线程都是共享的；每条线程都有自己的工作内存(Working Memory)，工作内存由缓存和堆栈两部分组成，缓存中保存的是主存中变量的拷贝，缓存可能并不总和主存同步，也就是缓存中变量的修改可能没有立刻写到主存中；堆栈中保存的是线程的局部变量，线程之间无法相互直接访问堆栈中的变量。

## 2、内存模型抽象结构 ##

线程间协作通信可以类比人与人之间的协作的方式，在现实生活中，之前网上有个流行语“你妈喊你回家吃饭了”，就以这个生活场景为例，小明在外面玩耍，小明妈妈在家里做饭，做晚饭后准备叫小明回家吃饭，那么就存在两种方式：  
       小明妈妈要去上班了十分紧急这个时候手机又没有电了，于是就在桌子上贴了一张纸条“饭做好了，放在…”小明回家后看到纸条如愿吃到妈妈做的饭菜，那么，如果将小明妈妈和小明作为两个线程，那么这张纸条就是这两个线程间通信的共享变量，通过读写共享变量实现两个线程间协作；  
       还有一种方式就是，妈妈的手机还有电，妈妈在赶去坐公交的路上给小明打了个电话，这种方式就是通知机制来完成协作，同样，可以引申到线程间通信机制。  
       在并发编程中主要需要解决两个问题：1. 线程之间如何通信；2.线程之间如何完成同步（这里的线程指的是并发执行的活动实体）。通信是指线程之间以何种机制来交换信息，主要有两种：共享内存和消息传递。  
       CPU的处理速度和主存的读写速度不是一个量级的，为了平衡这种巨大的差距，每个CPU都会有缓存。因此，共享变量会先放在主存中，每个线程都有属于自己的工作内存，并且会把位于主存中的共享变量拷贝到自己的工作内存，之后的读写操作均使用位于工作内存的变量副本，并在某个时刻将工作内存的变量副本写回到主存中去。JMM就从抽象层次定义了这种方式，并且JMM决定了一个线程对共享变量的写入何时对其他线程是可见的。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3d0eWljeQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
       如图为JMM抽象示意图，线程A和线程B之间要完成通信的话，要经历如下两步：

1. 线程A从主内存中将共享变量读入线程A的工作内存后并进行操作，之后将数据重新写回到主内存中；  
              2. 线程B从主存中读取最新的共享变量  
       从横向去看看，线程A和线程B就好像通过共享变量在进行隐式通信。这其中有很有意思的问题，如果线程A更新后数据并没有及时写回到主存，而此时线程B读到的是过期的数据，这就出现了“脏读”现象。可以通过同步机制（控制不同线程间操作发生的相对顺序）来解决或者通过volatile关键字使得每次volatile变量都能够强制刷新到主存，从而对每个线程都是可见的。

--------------------

## 3、重排序 ##

一个好的内存模型实际上会放松对处理器和编译器规则的束缚，也就是说软件技术和硬件技术都为同一个目标而进行奋斗：在不改变程序执行结果的前提下，尽可能提高并行度。JMM对底层尽量减少约束，使其能够发挥自身优势。因此，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进行重排序。一般重排序可以分为如下三种：  
![在这里插入图片描述][20210406110234129.png]

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的。

1属于编译器重排序，而2和3统称为处理器重排序，这些重排序会导致线程安全的问题。针对编译器重排序，JMM的编译器重排序规则会禁止一些特定类型的编译器重排序；针对处理器重排序，编译器在生成指令序列的时候会通过插入内存屏障指令来禁止某些特殊的处理器重排序。

double pi = 3.14 //A
    double r = 1.0 //B
    double area = pi * r * r //C

这是一个计算圆面积的代码，由于A,B之间没有任何关系，对最终结果也不会存在关系，它们之间执行顺序可以重排序。因此可以执行顺序可以是A->B->C或者B->A->C执行最终结果都是3.14，即A和B之间没有数据依赖性。具体的定义为：如果两个操作访问同一个变量，且这两个操作有一个为写操作，此时这两个操作就存在数据依赖性这里就存在三种情况：1. 读后写；2.写后写；3. 写后读，这三种操作都是存在数据依赖性的，那么重排序会对最终执行结果会存在影响。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性关系的两个操作的执行顺序。

--------------------

## 4、 happens-before规则 ##

JMM为程序员在上层提供了六条规则，这样我们就可以根据规则去推论跨线程的内存可见性问题，而不用再去理解底层重排序的规则

### 4.1、 happens-before定义 ###

1）如果一个操作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Java平台的具体实现必须要按照happens-before关系指定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果，与按happens-before关系来执行的结果一致，那么这种重排序并不非法（也就是说，JMM允许这种重排序）。

as-if-serial VS happens-before

1.  as-if-serial语义保证单线程内程序的执行结果不被改变，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。
2.  as-if-serial语义给编写单线程程序的程序员创造了一个幻境：单线程程序是按程序的顺序来执行的。happens-before关系给编写正确同步的多线程程序的程序员创造了一个幻境：正确同步的多线程程序是按happens-before指定的顺序来执行的。
3.  as-if-serial语义和happens-before这么做的目的，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。

### 4.2、具体规则 ###

1.  程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before于该线程中的任意后续操作。
2.  监视器锁规则：对一个锁的解锁，happens-before于随后对这个锁的加锁。
3.  volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens-before于任意后续对这个volatile域的读。
4.  传递性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。
5.  start()规则：如果线程A执行操作ThreadB.start()（启动线程B），那么A线程的ThreadB.start()操作happens-before于线程B中的任意操作。
6.  join()规则：如果线程A执行操作ThreadB.join()并成功返回，那么线程B中的任意操作happens-before于线程A从ThreadB.join()操作成功返回。
7.  程序中断规则：对线程interrupted()方法的调用先行于被中断线程的代码检测到中断时间的发生。
8.  对象finalize规则：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行于发生它的finalize()方法的开始。

依旧以上面计算圆面积的进行描述。利用程序顺序规则（规则1）存在三个happens-before关系：1. A happens-before B；2. B happens-before C;3. A happens-before C。这里的第三个关系是利用传递性进行推论的。A happens-before B,定义1要求A执行结果对B可见，并且A操作的执行顺序在B操作之前，但与此同时利用定义中的第二条，A,B操作彼此不存在数据依赖性，两个操作的执行顺序对最终结果都不会产生影响，在不改变最终结果的前提下，允许A，B两个操作重排序，即happens-before关系并不代表了最终的执行顺序。

--------------------

## 5、总结 ##

### 5.1、JMM的设计 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3d0eWljeQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
       JMM是语言级的内存模型，在我的理解中JMM处于中间层，包含了两个方面：（1）内存模型；（2）重排序以及happens-before规则。同时，为了禁止特定类型的重排序会对编译器和处理器指令序列加以控制。而上层会有基于JMM的关键字和J.U.C包下的一些具体类用来方便程序员能够迅速高效率的进行并发编程。站在JMM设计者的角度，在设计JMM时需要考虑两个关键因素:

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。
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。

重排序可以分为两类：  
              1. 会改变程序执行结果的重排序。对于会改变程序执行结果的重排序，JMM要求编译器和处理器必须禁止这种重排序。  
              2. 不会改变程序执行结果的重排序。对于不会改变程序执行结果的重排序，JMM对编译器和处理器不做要求（JMM允许这种重排序）  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3d0eWljeQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

1.  JMM向程序员提供的happens-before规则能满足程序员的需求。JMM的happens-before规则不但简单易懂，而且也向程序员提供了足够强的内存可见性保证（有些内存可见性保证其实并不一定真实存在，比如上面的A happens-before B）。
2.  JMM对编译器和处理器的束缚已经尽可能少。从上面的分析可以看出，JMM其实是在遵循一个基本原则：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，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。再如，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。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。

### 5.2、happens-before与JMM的关系 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3d0eWljeQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
       一个happens-before规则对应于一个或多个编译器和处理器重排序规则。对于Java程序员来说，happens-before规则简单易懂，它避免Java程序员为了理解JMM提供的内存可见性保证而去学习复杂的重排序规则以及这些规则的具体实现方法

--------------------

## 6、往期佳文 ##

### 6.1、面试系列 ###

1、[吊打面试官之一面自我介绍][Link 1]  
2、[吊打面试官之一面项目介绍][Link 2]  
3、[吊打面试官之一面系统架构设计][Link 3]  
4、[吊打面试官之一面你负责哪一块][Link 4]  
5、[吊打面试官之一面试官提问][Link 5]  
6、[吊打面试官之一面你有什么问题吗][Link 6]

······持续更新中······

--------------------

### 6.2、技术系列 ###

1、[吊打面试官之分布式会话][Link 7]  
2、[吊打面试官之分布式锁][Link 8]  
3、[吊打面试官之乐观锁][Link 9]  
4、[吊打面试官之幂等性问题][Link 10]  
5、[吊打面试关之分布式事务][Link 11]  
6、[吊打面试官之项目线上问题排查][Link 12]

······持续更新中······

### 6.3、源码系列 ###

1、[源码分析之SpringBoot启动流程原理][SpringBoot]  
2、[源码分析之SpringBoot自动装配原理][SpringBoot 1]  
3、[源码分析之ArrayList容器][ArrayList]  
4、[源码分析之LinkedList容器][LinkedList]  
5、[源码分析之HashMap容器][HashMap]

### 6.4、数据结构和算法系列 ###

1、[数据结构之八大数据结构][Link 13]  
2、[数据结构之动态查找树（二叉查找树，平衡二叉树，红黑树）][Link 14]

······持续更新中······

### 6.5、多线程系列 ###

1、[并发系列之初识多线程][Link 15]

······持续更新中······

--------------------

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3d0eWljeQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221022/8bfb70e2558740d3ac97731bd8ca21a5.png
[20210406110234129.png]: /images/20221022/47f131cdbbd14e14826af83466598779.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3d0eWljeQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20221022/d0831c42c24e4aaaacbebcb274bbee75.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3d0eWljeQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20221022/f1145b36eb08466b8b318e35287ba376.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3d0eWljeQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20221022/98ed0dbf0b6841868599e48c2a278d77.png
[Link 1]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/114933478
[Link 2]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/114983053
[Link 3]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115005012
[Link 4]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115064661
[Link 5]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115296365
[Link 6]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115402511
[Link 7]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/114685293
[Link 8]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/114915987
[Link 9]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/114915177
[Link 10]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/114888754
[Link 11]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115081790
[Link 12]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115292969
[SpringBoot]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115181539
[SpringBoot 1]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115233701
[ArrayList]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115244565
[LinkedList]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115314536
[HashMap]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115365586
[Link 13]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115342236
[Link 14]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115353145
[Link 15]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115386707