Java内存模型及内存可见性

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本篇是观看细说Java多线程之内存可见性后的笔记。

共享变量在线程间的可见性

什么是可见性

  • 可见性：一个线程对共享变量值的修改，能够及时地被其他线程看到；
  • 共享变量：如果一个变量在多个线程的工作内存中都存在副本，那么这个变量就是这几个线程的共享变量。

Java内存模型（JMM）

Java内存模型（Java Memory Model）描述了Java程序中各种变量（线程共享变量）的访问规则，以及JVM中将变量存储到内存和从主内存读取出变量这样的底层细节。

以下所说的变量都指的是共享变量。

  • 所有的变量都存储在主内存中；
  • 每个线程都有自己独立的工作内存，里面保存该线程使用到的变量的副本（主内存中该变量的一份拷贝）。

JMM

两条规定：

  1. 线程对共享变量的所有操作都必须在自己的工作内存中进行，不能直接从主内存中读写；
  2. 不同线程之间无法直接访问其他线程工作内存中的变量，线程间变量值的传递需要通过主内存来完成。

共享变量可见性实现原理

线程1对共享变量的修改要想被线程2及时看到，必须要经过下面两个步骤：

  1. 把工作内存1中更新过的共享变量刷新到主内存中；
  2. 将主内存中最新的共享变量的值更新到工作内存2中。

synchronized实现可见性

synchronized能够实现：

  • 原子性（同步）
  • 可见性

JMM关于synchronized的两条规定：

  • 线程解锁前，必须把共享变量的最新值刷新到主内存中；
  • 线程加锁时，将清空工作内存中共享变量的值，从而使用共享变量时需要从主内存中重新读取最新的值（注意：加锁与解锁需要是同一把锁）。

以上两条规定可以保证：线程在解锁前对共享变量的修改在下次加锁时对其他线程可见。

线程执行互斥代码的过程：

  1. 获得互斥锁；
  2. 清空工作内存；
  3. 从主内存拷贝变量的最新副本到工作内存；
  4. 执行代码；
  5. 将更改后的共享变量的值刷新到主内存；
  6. 释放互斥锁。

指令重排序

重排序：代码书写的顺序与实际执行的顺序不同，指令重排序是编译器或处理器为了提高程序性能而做的优化。

  1. 编译器优化的重排序（编译器优化）；
  2. 指令级并行重排序（处理器优化）；
  3. 内存系统的重排序（处理器优化）。

例如（有可能）：

1
2
3
4
5
6
7
// 代码顺序
int number = 1;
int result = 0;

// 执行顺序
int result = 0;
int number = 1;

as-if-serial语义

as-if-serial：无论如何重排序，程序执行结果应该与代码顺序执行的结果一致（Java编译器、运行时和处理器都会保证Java在单线程下遵循as-if-serial语义）。

例如：

1
2
3
int num1 = 1;
int num2 = 2;
int sum = num1 + num2;

单线程中，第1、2行顺序可以重排，但第3行不能。重排序不会给单线程带来内存可见性问题。但是在多线程中程序交错执行时，重排序可能会造成内存可见性问题。

可见性分析

导致共享变量在线程间不可见的原因：

  • 线程的交叉执行；
  • 重排序结合线程交叉执行；
  • 共享变量更新后的值没有在工作内存与主内存间及时更新。

volatile实现可见性

volatile关键字：

  • 能够保证volatile变量的可见性；
  • 不能保证volatile变量复合操作的原子性。

volatile如何实现内存可见性：深入来说，通过加入内存屏障和禁止重排序优化来实现的。

  • 对volatile变量执行写操作时，会在写操作后加入一条store屏障指令（写后强制刷新到主内存中去）；
  • 对volatile变量执行读操作时，会在读操作前加入一条load屏障指令（强制使工作内存中的变量拷贝失效）。

通俗的讲，volatile变量在每次被线程访问时，都强迫从主内存中重读改变量的值，而当该变量发生变化时，又会强迫线程将最新的值刷新回主内存。这样任何时刻，不同的线程总能看到该变量的最新值。

线程写volatile变量的过程：

  1. 改变线程工作内存中volatile变量副本的值；
  2. 将改变后的副本的值从工作内存刷新回主内存。

线程读volatile变量的过程：

  1. 从主内存中读取volatile变量的最新值到线程的工作内存中；
  2. 从工作内存中读取volatile变量的副本。

volatile使用注意事项

要在多线程中安全的使用volatile变量，必须同时满足：

  1. 对变量的写入操作不依赖其当前值，即不满足number++、count *= 5等，满足boolean变量等；
  2. 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中，即若程序中有多个volatile变量，那么每个volatile变量要独立于其他volatile变量。

日常中我们很多情况都与上述两点中的一点有冲突，所以volatile并没有synchronized使用得广泛。

synchronized和volatile比较

  • volatile不会加锁，比synchronized更轻量级，不会阻塞线程，执行效率更高；
  • 从内存可见性角度讲，volatile读相当于加锁，volatile写相当于解锁；
  • synchronized既能保证可见性，又能保证原子性，而volatile只能保证可见性，无法保证原子性。