Java Memery Model

要想在日常开发中写出高性能高可靠的Java服务，熟练掌握并发编必不可少的。要想熟练掌握并发编程的技巧，就得先厘清一些和并发相关的基础理论知识，而JMM就是Java并发的核心基础。下面是是本文将描述的几个核心问题：

• JMM是什么？
• 重排序
• happens-before
• 内存屏障
• Java相关
• 总结

JMM是什么？

Java内存模型[以下称JMM]是什么？先看看什么是内存模型.现在的多核处理器系统中¹，处理器通过多级缓存来加快数据访问，提高了性能的同时也面临了一个挑战：当两个及以上处理器同时查看同一个内存位置(比如更新同一个变量)的时候会怎么样，能看到相同的值吗？这个问题对初学者来说很抽象，观察同一个内存位置难道看到的值会不一样吗？答案是可能不一样，因为程序在运行的时候所读取的数据是来自缓存(先看一级缓存有没有，没有再去二级缓存拿，如果所有缓存都没有就会去主存加载)，可见程序使用的变量值是内存的一份拷贝，如果在程序计算的过程中主存中的值发成变化了，那么当前处理器就无法感知了。

这个时候内存模型就派上用场了。内存模型定义了一个处理器如何才能知道其他处理器对内存(变量)的更新。(请记住这一点) 内存模型可分为：

• 强内存模型(strong memory model)：所有核心在任何时候看到的值总是相同的。
• 弱内存模型(weak memory model)：不同的核心可能会看到不同的值，有特殊的缓存规则控制这种情况出现的时机。

强内存模型看上去对程序员来说更加友好，但是其效率低下。JMM则属于更符合真实 CPU 架构的发展趋势的弱内存模型。

重排序

在描述JMM的一写重要定义前，先看看一个多线程需要面临的一个问题——重排序[Reordering]。简单的说就是程序的执行顺序可能与程序指定的顺序不一致。为了提高执行效率，javac、JIT和CPU指令执行都可能改变代码的执行。重排序保证的是不改变单线程的执行结果。

CPU避免内存访问延迟最常见的技术是将指令管道化，然后尽量重排这些管道的执行以最大化利用缓存，从而把因为缓存未命中引起的延迟降到最小。编译器和CPU可以自由的重排指令以最佳的利用CPU，只要下一次循环前更新该计数器即可。

happens-before

再回到JMM，JMM的定义是通过动作(actions)的形式进行描述的，所谓动作，包括变量的读和写、管程(monitor)的加锁和释放，线程的启动和拼接(join)²。如上图，我们通过Java 并发编程实践中的例子来描述怎样才能在线程B中看到线程A的执行结果——也就是happens-before法则。happens-before就是发生在某某动作之前的意思。happens-before法则包括：

• 程序次序法则：线程中的每个动作 happens-before 该线程中后续动作，该线程中的每个动作都按程序顺序进行。
• 管程锁[monitor]法则：对一个管程的解锁 happens-before 每一个后续对同一个管程的加锁。(Sychronized语义)
• volatile变量法则：对volatile字段的写入操作 happens-before 每一个后续的读操作。
• 线程start法则：Thread.start 调用 happens-before 该线程的后续所有动作。
• 线程终止法则：线程中的任何动作都 happens-before 线程的终止。
• 线程join法则：线程中的所有操作 happens-before 任何其他线程从该线程上的join()成功返回。
• 线程interrupt法则：一个线程调用另一个线程的 interrupt happens-before 中断线程发现中断。
• finalizer法则：一个对象的构造函数的结束 happens-before 这个对象的finalizer的开始。
• 传递性：如果 A happens-before B，B happens-before C，那么 A happens-before C。、

由类库担保的 happens-before 排序：

• 将一个 item 放入thread-safe容器 happens-before 另一个线程从该容器中获取 item。
• 锁存器(CountDownLatch)的countDown() happens-before 线程从锁存器的await() 中返回。
• 信号量(Semaphpre)的release() 一个 permit happens-before 同一个信号量的aquire()。
• Future中代表的任务多发生的动作 happens-before 另一个线成功的从Future.get返回。
• Excutor的submit happens-before 任务的执行。
• 一个线程到达CyclicBarrier或者Exchanger happens-before 其他线程的释放。

内存屏障

什么是内存屏障？³内存屏障是一个CPU指令。前面说过，编译器和CPU可以在保证输出结果一样的情况下对指令重排序，使性能得到优化。插入一个内存屏障，相当于告诉CPU和编译器先于这个命令的必须先执行，后于这个命令的必须后执行。内存屏障另一个作用是强制刷新CPU的缓存，这样能实现多线程的可见性。内存屏障指令正是JMM happens-before法则的底层实现。

内存屏障指令分类

1. LoadLoad：禁止读和读的重排序。
2. StoreStore：禁止写和写的重排序。
3. LoadStore：禁止读和写的重排序。
4. StoreLoad：禁止写和读的重排序。

内存屏障的更多细节可参考这里。

JDK中的内存屏蔽

public final class Unsafe {
    ...
    // loadFence=LoadLoad+LoadStore
    public native void loadFence();
    // storeFence=StoreStore+LoadStore
    public native void storeFence();
    // fullFence=loadFence+storeFence+StoreLoad
    public native void fullFence();
    ...
}

Java相关

volatile

如果你的字段是volatile，Java内存模型将在写操作后插入一个写屏障指令，在读操作前插入一个读屏障指令。volatile的可见性使其在观察状态变化的应用中得到广泛使用。经过volatile修饰的字段，在编译之后会有一个ACC_VOLATILE标识。volatile的语义⁴：

• 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。
• 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。

...
public volatile int i;
    descriptor: I
    flags: (0x0041) ACC_PUBLIC, ACC_VOLATILE
...

volatile实现原理

1. 在volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。保证volatile写操作不会和之前的写操作重排序。
2. 在volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。保证volatile写操作不会和之后的读操作重排序。
3. 在volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障+LoadStore屏障。保证volatile读操作不会和之后的读操作、写操作重排序。

总结

JMM是Java并发编程的理论基础，对开发安全的并发程序至关重要。如果需要了解更详细的JMM知识，看这里。

1. Java性能优化实践：JVM调优策略、工具与技巧 ↩

2. Java并发编程实践 ↩

3. memory-barrier ↩

4. volatile 参考 ↩