基礎(chǔ)

并發(fā)編程的模型分類

在并發(fā)編程中我們需要處理兩個問題：線程與線程之間如何通信以及線程與線程之間如何同步問題（這里的線程指指并發(fā)執(zhí)行的活動實體）。通信是指線程之間以何種機制來交換信息。在命令式的編程中，線程之間的通信機制有兩種共享內(nèi)存和消息傳遞。

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在共享內(nèi)存的并發(fā)模型里，線程之間共享程序的公共狀態(tài)，線程之間通過寫-讀內(nèi)存中公共狀態(tài)來隱式進行通信。在消息傳遞的并發(fā)的模型里，線程之間沒有公共狀態(tài)，線程之間必須通過明確的發(fā)送消息來顯式的進行通信。

同步是指程序用于控制不同線程之間的做出發(fā)生是相對順序的機制。共享內(nèi)存并發(fā)模型里，同步是顯式進行的。程序員必須顯式的指定某個方法或某段代碼需要在線程之間互斥執(zhí)行。在消息傳遞的并發(fā)模型里，由于消息的發(fā)送必須在消息的接接收之前，因此同步是隱式進行的。

java的并發(fā)采用的是共享內(nèi)存發(fā)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的通信的工作機制，很可能會遇到各種奇怪的內(nèi)存可見性問題。

Java 內(nèi)存模型的抽象

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

Java 線程之間的通信由 Java 內(nèi)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(nèi)存之間的抽象關(guān)系：線程之間的共享變量存儲在主內(nèi)存（main memory）中，每個線程都有一個私有的本地內(nèi)存（local memory），本地內(nèi)存中存儲了該線程以讀 / 寫共享變量的副本。本地內(nèi)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(qū)，寄存器以及其他的硬件和編譯器優(yōu)化。Java 內(nèi)存模型的抽象示意圖如下：

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從上圖來看，線程 A 與線程 B 之間如要通信的話，必須要經(jīng)歷下面 2 個步驟：

首先，線程 A 把本地內(nèi)存 A 中更新過的共享變量刷新到主內(nèi)存中去。

然后，線程 B 到主內(nèi)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：

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

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

重排序

在執(zhí)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：

編譯器優(yōu)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(zhí)行順序。

指令級并行的重排序。現(xiàn)代處理器采用了指令級并行技術(shù)（Instruction-Level Parallelism， ILP）來將多條指令重疊執(zhí)行。如果不存在數(shù)據(jù)依賴性，處理器可以改變語句對應(yīng)機器指令的執(zhí)行順序。

內(nèi)存系統(tǒng)的重排序。由于處理器使用緩存和讀 / 寫緩沖區(qū)，這使得加載和存儲操作看上去可能是在亂序執(zhí)行。

從 java 源代碼到最終實際執(zhí)行的指令序列，會分別經(jīng)歷下面三種重排序：

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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(dǎo)致多線程程序出現(xiàn)內(nèi)存可見性問題。對于編譯器，JMM 的編譯器重排序規(guī)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(guī)則會要求 java 編譯器在生成指令序列時，插入特定類型的內(nèi)存屏障（memory barriers，intel 稱之為 memory fence）指令，通過內(nèi)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(nèi)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(nèi)存可見性保證。

處理器重排序與內(nèi)存屏障指令

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

Processor A	Processor B
a = 1; //A1 x = b; //A2	b = 2; //B1 y = a; //B2
初始狀態(tài)：a = b = 0 處理器允許執(zhí)行后得到結(jié)果：x = y = 0

假設(shè)處理器 A 和處理器 B 按程序的順序并行執(zhí)行內(nèi)存訪問，最終卻可能得到 x = y = 0 的結(jié)果。具體的原因如下圖所示：

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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(qū)（A1，B1），然后從內(nèi)存中讀取另一個共享變量（A2，B2），最后才把自己寫緩存區(qū)中保存的臟數(shù)據(jù)刷新到內(nèi)存中（A3，B3）。當(dāng)以這種時序執(zhí)行時，程序就可以得到 x = y = 0 的結(jié)果。

從內(nèi)存操作實際發(fā)生的順序來看，直到處理器 A 執(zhí)行 A3 來刷新自己的寫緩存區(qū)，寫操作 A1 才算真正執(zhí)行了。雖然處理器 A 執(zhí)行內(nèi)存操作的順序為：A1->A2，但內(nèi)存操作實際發(fā)生的順序卻是：A2->A1。此時，處理器 A 的內(nèi)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(guān)鍵是，由于寫緩沖區(qū)僅對自己的處理器可見，它會導(dǎo)致處理器執(zhí)行內(nèi)存操作的順序可能會與內(nèi)存實際的操作執(zhí)行順序不一致。由于現(xiàn)代的處理器都會使用寫緩沖區(qū)，因此現(xiàn)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：

?	Load-Load	Load-Store	Store-Store	Store-Load	數(shù)據(jù)依賴
sparc-TSO	N	N	N	Y	N
x86	N	N	N	Y	N
ia64	Y	Y	Y	Y	N
PowerPC	Y	Y	Y	Y	N

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(shù)據(jù)依賴的操作做重排序。sparc-TSO 和 x86 擁有相對較強的處理器內(nèi)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(qū)）。

※注 1：sparc-TSO 是指以 TSO(Total Store Order) 內(nèi)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(nèi)存模型與 PowerPC 處理器的內(nèi)存模型非常類似，本文將忽略它。

※注 4：數(shù)據(jù)依賴性后文會專門說明。

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

屏障類型	指令示例	說明
LoadLoad Barriers	Load1; LoadLoad; Load2	確保 Load1 數(shù)據(jù)的裝載，之前于 Load2 及所有后續(xù)裝載指令的裝載。
StoreStore Barriers	Store1; StoreStore; Store2	確保 Store1 數(shù)據(jù)對其他處理器可見（刷新到內(nèi)存），之前于 Store2 及所有后續(xù)存儲指令的存儲。
LoadStore Barriers	Load1; LoadStore; Store2	確保 Load1 數(shù)據(jù)裝載，之前于 Store2 及所有后續(xù)的存儲指令刷新到內(nèi)存。
StoreLoad Barriers	Store1; StoreLoad; Load2	確保 Store1 數(shù)據(jù)對其他處理器變得可見（指刷新到內(nèi)存），之前于 Load2 及所有后續(xù)裝載指令的裝載。StoreLoad Barriers 會使該屏障之前的所有內(nèi)存訪問指令（存儲和裝載指令）完成之后，才執(zhí)行該屏障之后的內(nèi)存訪問指令。

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(xiàn)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(zhí)行該屏障開銷會很昂貴，因為當(dāng)前處理器通常要把寫緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)全部刷新到內(nèi)存中（buffer fully flush）。

happens-before

從 JDK5 開始，java 使用新的 JSR -133 內(nèi)存模型（本文除非特別說明，針對的都是 JSR- 133 內(nèi)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(nèi)存可見性。如果一個操作執(zhí)行的結(jié)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(guān)系。這里提到的兩個操作既可以是在一個線程之內(nèi)，也可以是在不同線程之間。 與程序員密切相關(guān)的 happens-before 規(guī)則如下：

• 程序順序規(guī)則：一個線程中的每個操作，happens- before 于該線程中的任意后續(xù)操作。
• 監(jiān)視器鎖規(guī)則：對一個監(jiān)視器鎖的解鎖，happens- before 于隨后對這個監(jiān)視器鎖的加鎖。
• volatile 變量規(guī)則：對一個 volatile 域的寫，happens- before 于任意后續(xù)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(guān)系，并不意味著前一個操作必須要在后一個操作之前執(zhí)行！happens-before 僅僅要求前一個操作（執(zhí)行的結(jié)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(guān)系如下圖所示：

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如上圖所示，一個 happens-before 規(guī)則通常對應(yīng)于多個編譯器重排序規(guī)則和處理器重排序規(guī)則。對于 java 程序員來說，happens-before 規(guī)則簡單易懂，它避免程序員為了理解 JMM 提供的內(nèi)存可見性保證而去學(xué)習(xí)復(fù)雜的重排序規(guī)則以及這些規(guī)則的具體實現(xiàn)。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的深入理解 Java 内存模型（一）——基础的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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