JMM

章三 JMM

本文是JVM系列第三篇，主要描述java内存模型，包括原子操作、指令重排序、可见性、有序性等相关内容，是java并发编程核心原理与基础

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  • JMM介绍

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JMM介绍

JMM是java提供的抽象模型，描述了在多线程环境中，主内存和工作内存的交互，主要目标是屏蔽硬件和操作系统的差异。

• 主内存：主内存用来存储所有共享变量
• 工作内存：线程独享内存，类似cpu缓存，线程从主内存读取共享变量到工作内存，或者将修改后的数据回写到主内存

1. 内存模型特性

   • 原子性：原子性表示一个操作不可分割，线程无法观察到其执行过程的中间态。例如基本变量的赋值（int a=10),通过synchronized或atomic实现的操作
   • 可见性：可见性表示线程多共享变量的修改对其他线程可见，例如使用volatile、synchronized、final关键字修饰
   • 有序性：有序性表示代码的执行顺序符合程序的逻辑顺序，但由于编译器和cpu的优化，实际执行顺序可能与代码顺序不一致（又称为指令重排序）

2. 关键概念

   • 主内存和工作内存的交互

     • lock：作用于主内存，将变量标记为线程独占状态
     • unlock：作用于主内存，解除某个内存地址的锁
     • read：从主内存读取共享变量
     • load：加载到工作内存
     • use：工作内存中使用变量
     • assign：修改变量
     • store：变量回写到主内存
     • write：将存储的值写回到主内存

   补充说明：
      1. lock和unlock通常是原子性操作
      2. read/load和store/write：单次操作通常是原子性，例如32为的普通变量在jvm实现中读取和写入是原子操作。
         64位的long和double类型变量在非volatile修饰是，read/write由于可能会分为两个32位块操作，导致非原子性
      3. use/assign,对变量执行简单的赋值是原子型的，但 i++/i--非原子性
      4. 多个内存组合操作通常不保证原子性
         例如：
         int i=0;
         i++;
         操作等价：
         a) read i:从主内存读取i
         b) load i:将i加载进工作内存
         c) use i: 使用i值
         d) assign i+i: 计算并重新赋值i==1
         e) store i: 将新值存储到主内存
         f) write i: 写会主内存
   

   • happens-before 原则：happens-before是jmm的核心规则，定义两个操作之间的顺序关系，如果A操作 happens-before B操作，那么A操作的结果对B操作可见

     • 程序顺序原则：单线程中，前面的操作happens-before后面的操作
     • 锁规则：一个程序释放锁，happens-before另一个线程获取锁
     • volatile：对一个volatile变量的写操作happens-before之后的操作
     • 线程启动规则：线程A调用线程B的start方法，happens-before线程B的执行
     • 线程终止规则：线程B的终止happens-before线程A通过Thread.join()等方法获知线程B的终止

3. 指令重排序

   • 原因

     • 编译器优化：提高代码执行效率
     • 处理器优化：cpu使用乱序来提高流水线利用率

   • 影响：指令重排序可能导致程序在多线程环境下执行结果与预期不同

     class Singleton {
       private static Singleton instance;
     
       public static Singleton getInstance() {
            if (instance == null) { // 第一次检查
                 synchronized (Singleton.class) {
                   if (instance == null) { // 第二次检查
                     instance = new Singleton();
                   }
                }
            }
         return instance;
      }
     }

     instance = new Singleton() 包含以下步骤：
     分配内存
     初始化对象；
     将引用指向对象。
     重排序可能导致步骤 2 和步骤 3 交换，其他线程可能访问未完全初始化的对象。

4. volatile: java并发编程中的轻量同步机制，仅用来保证可见性和禁止重排序

   • 内存屏障：

     • 写屏障：在写操作前插入，确保写操作前的指令不被重排序到屏障后
     • 度屏障：在读操作后插入，确保读操作后的指令不会重排序到屏障前

   • volatile保证线程从主内存读取最新值，并将修改立刻写回到主内存

     • 普通变量：线程可能从工作内存中读取缓存的旧值
     • volatile：线程总是从主内存读取最新值，避免数据不可见问题

   • 局限：

     • 不保证原子性：虽然保证了可见性，但不能保证复合操作的原子性，例如i++涉及多个内存操作

     • 适用场景有限：只适用于状态标志、简单读写等场景，复杂线程安全问题仍需要synchronized或lock、Atomic

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