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Java内存模型浅析

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[系统(linux) 所属分类 系统(linux) | 发布者 店小二05 | 时间 20160901 | 作者 红领巾 ] 0人收藏点击收藏

概述

衡量一个服务性能的高低好坏,每秒事务处理数(Transactions Per Second,TPS) 是最重要的指标之一,它代表着一秒内服务器平均能响应的请求总数,而TPS值与程序的并发能力又有非常密切的关系。

Java内存模型(Java Memory Model,JMM)用来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异,以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。Java内存模型的主要目标是定义程序中各个变量的访问规则,即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样的底层细节。

C/C++:直接使用了物理硬件和操作系统的内存模型。

硬件的效率与一致性

绝大多数的运算任务都不可能只靠处理器“计算”就能完成,处理器至少要与内存交互,如读取运算速度、存储运算结果等,这个I/O操作是很难消除的(无法仅靠寄存器来完成所有运算任务)。由于计算机的存储设备(慢)与处理器的运算速度(快)有几个数量级的差距,所以现代计算机系统都不得不加入一层读写速度尽可能接近处理器运算速度的高速缓存(Cache)来作为内存与处理器之间的缓冲:将运算需要使用到的数据复制到缓存中,让运算能快速进行,当运算结束后再从缓存同步回内存之中,这样处理器就无须等待缓慢的内存读写了。

缓存一致性(Cache Coherence):在多处理器系统中,每个处理器都有自己的高速缓存,而它们又共享同一主内存(Main Memory),当多个处理器的运算任务都涉及同一块主内存区域时,将可能导致各自的缓存数据不一致,如果真的发生这种情况,那同步回到主内存时以谁的缓存数据为准呢?为了解决一致性问题,需要各个处理器访问缓存时都遵循一些协议,在读写时要根据协议来进行操作,这类协议有MSI、MESI(illinois Protocol) 、MOSI、Synapse、Firefly及Dragon Protocol等。“内存模型”一词,可以理解为在特定的操作协议下,对特定的内存或高速缓存进行读写访问的过程抽象。

处理器、高速缓存、主内存间的交互关系:

Java内存模型浅析

除了增加高速缓存之外,为了使得处理器内部的运算单元能尽量被充分利用,处理器可能会对输入代码进行乱序执行(Out-Of-Order Execution)优化,处理器会在计算之后将乱序执行的结果重组,保证该结果与顺序执行的结果是一致的,但并不保证程序中各个语句计算的先后顺序与输入代码中的顺序一致,因此,如果存在一个计算任务依赖另外一个计算任务的之间结果,那么其顺序性并不能靠代码的先后顺序来保证。与处理器的乱序执行优化类似,Java虚拟机的即时编译器中也有类似的指令重排序(Instruction Reorder)优化。

主内存与工作内存

Java内存模型的主要目标是定义程序中各个变量的访问规则,即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样的底层细节。此处的变量(Variables)包括了实例字段、静态字段和构造数组对象的元素,但不包括局部变量与方法参数,因为后者是线程私有的,不会被共享,自然就不会存在竞争问题。

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存(Main Memory)中,每条线程还有自己的工作内存(Working Memory),线程的工作内存中保存了被该线程使用到的变量的主内存副本拷贝,线程对变量的所有操作(读取、赋值等)都必须在工作内存中进行,而不能直接读写主内存中的变量。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量,线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成。

这里讲的主内存、工作内存与Java内存区域中的Java堆、栈、方法区等不是同一个层次的内存划分,这两者基本上没有关系,如果一定要勉强对应起来:主内存对应于堆,工作内存对应于栈。从更低层次上说,主内存就直接对应于物理硬件的内存,而为了获得更好的运行速度,虚拟机(甚至是硬件系统本身的优化措施)可能会让工作内存优先存储于寄存器和高速缓存中,因为程序运行时主要访问读写的是工作内存。

线程、主内存、工作内存三者之间的交互关系:

Java内存模型浅析

内存间交互操作

1)lock(锁定):作用于主内存的变量,它把一个变量标识为一条线程独占的状态。

2)unlock(解锁):作用于主内存的变量,它把一个处于锁定状态的变量释放出来,释放后的变量才可以被其它线程锁定。

3)read(读取):作用于主内存的变量,它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中,以便随后的load动作使用。

4)load(载入):作用于工作内存的变量,它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中。

5)use(使用):作用于工作内存的变量,它把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎,每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。

6)assign(赋值):作用于工作内存的变量,它把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量,每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。

7)store(存储):作用于工作内存的变量,它把工作内存中一个变量的值传送给主内存中,以便随后的write操作使用。

8)write(写入):作用于主内存的变量,它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中。

如果要把一个变量从主内存复制到工作内存,那就要顺序执行read和load操作,如果要把一个变量从工作内存同步回主内存,就就要顺序地执行store和write操作。注意:Java内存模型只要求上述两个操作必须按顺序执行,而没有保证是连续执行。除此之外,还必须满足:

1)不允许read和load、store和write操作之一单独出现,即不允许一个变量从主内存读取了但工作内存不接受,或者从工作内存发起回写了但主内存不接受的情况出现。

2)不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作,即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存。

3)不允许一个线程无原因地(没有发生过任何assign操作)把数据从线程的工作内存同步回主内存中。

4)一个新的变量只能在主内存中“诞生”,不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化(load或assign)的变量,换句话说,就是对一个变量实施use、store操作之前,必须先执行过了assign和load操作。

5)一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作,但lock操作可以被同一条线程重复执行多次,多次执行lock后,只有执行相同次数的unlock操作,变量才会被解锁。

6)如果对一个变量执行了lock操作,那将会清空工作内存中此变量的值,在执行引擎使用这个变量前, 需要重新执行load或assign操作初始化变量的值。

7)如果一个变量事先没有被lock操作锁定,那就不允许对它执行unlock操作,也不允许去unlock一个被其它线程锁定住的变量。

8)对一个变量执行unlock操作之前,必须把此变量同步回主内存中(执行store、write操作)。

对于volatile型变量的特殊规则

当一个变量定义为volatile之后,它将具备两种特性:

1)保证此变量对所有线程的可见性;普通变量(没被volatile修饰)做不到这一点,普通变量的值在线程间传递均需要通过主内存来完成。

2)volatile变量不是线程安全的;volatile变量在各个线程的工作内存中不存在一致性问题(在各个线程的工作内存中,volatile变量也可以存在不一致的情况,但由于每次使用之前都要先刷新,执行引擎看不到不一致的情况,因此可以认为不存在一致性问题),但是Java里面的运算并非原子操作,导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的。

例如:public static volatile int race = 0; race++时,多线程执行会不安全:当getstatic指令把race的值取到操作栈顶时,volatile关键字保证了race的值在此时是正确的,但是在执行iconst_1、iadd这些指令的时候,其它线程可能已经把race的值加大了,而在操作栈顶的值就变成了过期的数据,所以putstatic指令执行后就可能把较小的race值同步回主内存之中。

即使编译出来只有一条字节码指令,也并不意味执行这条指令就是一个原子操作。

一条字节码指令在解释执行时,解释器将要运行许多行代码才能实现它的语义,如果是编译执行,一条字节码指令也可能转化成若干条本机机器码指令。使用-XX:+PrintAssembly参数输出反汇编来分析更严谨。

由于volatile变量只能保证可见性,在不符合以下两条规则的运算场景中,需要通过加锁(Synchronized或java.util.concurrent中的原子类)来保证原子性:

1)运算结果并不依赖变量的当前值,或者能够确保只有单一的线程修改变量的值

2)变量不需要与其它的状态变量共同参与不变约束

使用Volatile变量的第二个语义是禁止指令重排序优化,普通的变量仅仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果,而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。因为在一个线程的方法执行过程中无法感知到这点,这也就是Java内存模型中描述的所谓的“线程内表现为串行的语义”(Within-Thread As-If-Serial Semantics)。

指令重排序问题。

在某些情况下,volatile的同步机制的性能确实要优于锁(使用Synchronized关键字或java.util.concurrent包里面的锁),但是由于虚拟机对锁实行的许多消除和优化,使得我们很难量化地认为volatile就会比Synchronized快多少。如果让volatile自己与自己比较,那可以确定一个原则:volatile变量读操作的性能消耗与普通变量几乎没有差别,但是写操作则可能会慢一些,因为它需要在本地代码中插入许多内存屏障指令来保证处理器不发生乱序执行。不过即便如此,大多数场景下volatile的总开销仍然要比锁低,我们在volatile与锁之中选择的唯一依据仅仅是volatile的语义能否满足使用场景的需求。

假如T表示一个线程,V和W分别表示两个volatile型变量,那么在进行read、load、useassign、store和write操作时需要满足如下规则:

1)只有当线程T对变量V执行的前一个动作是load的时候,线程T才能对变量V执行use动作;并且,只有当线程T对变量V执行的后一个动作是use的时候,线程T才能对变量V执行load动作。线程T对变量V的use动作可以认为是和线程T对变量V的load、read动作相关联,必须连续一起出现(这条规则要求在工作内存中,每次使用V前都必须先从主内存刷新最新的值,用于保证能看见其它线程对变量V所做的修改后的值)。

2)只有当线程T对变量V执行的前一个动作是assign的时候,线程T才能对变量V执行store动作;并且,只有当线程T对变量V执行的后一个动作是store的时候,线程T才能对变量V执行assign动作。线程T对变量V的assign动作可以认为是和线程T对变量V的store、write动作相关联,必须连续一起出现(这条规则要求在工作内存中,每次修改V后都必须立刻同步回主内存中,用于保证其它线程可以看到自己对变量V所做的修改)。

3)假定动作A是线程T对变量V实施的use或assign动作,假定动作F是和动作A相关联的load或store动作,假定动作P是和动作F相应的对变量V的read或write动作;类似的, 假定动作B是线程T对变量W实施的use或assign动作,假定动作G是和动作B相关联的load或store动作,假定动作Q是和动作G相应的对变量W的read或write动作。如果A先于B,那么P先于Q(这条规则要求volatile修饰的变量不会被指令重排序优化,保证代码的执行顺序与程序的顺序相同)。

对于long和double型变量的特殊规则

Java内存模型要求lock、unlock、read、load、assign、use、store、write这8个操作都具有原子性,但是对于64位的数据类型(long和double),在模型中特别定义了一条相对宽松的规定:允许虚拟机将没有被volatile修饰的64位数据的读写操作划分为两次32位的操作来进行,即允许虚拟机实现选择可以不保证64位数据类型的load、store、read和write这4个操作的原子性,这点就是所谓的long和double的非原子性协定(Not atomic Treatment of double and long Variables)。

如果有多个线程共享一个并未声明为volatile的long或double类型的变量,并且同时对它们进行读取和修改操作,那么某些线程可能会读取到一个即非原值,也不是其它线程修改值得代表了“半个变量”的数值。

Java内存模型虽然允许虚拟机不把long和double变量的读写实现成原子操作,但允许虚拟机选择把这些操作实现为具有原子性的操作,而且还“强烈建议”虚拟机这样实现。在实际开发中,目前各种平台下的商用虚拟机几乎都选择把64位数据的读写操作作为原子操作来对待,因此我们在编写代码时一般不需要把用到的long和double变量专门声明为volatile。

原子性、可见性和有序性

原子性(Atomicity):由Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、load、assign、use、store、write,我们大致可以认为基本数据类型的访问读写是具备原子性的(例外就是long和double的非原子性协定)。

Java内存模型还提供了lock和unlock操作来满足这种需求,尽管虚拟机未把lock和unlock操作直接开放给用户使用,但是却提供了更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐式地使用这两个操作,这两个字节码指令反映到Java代码中就是同步块--Synchronized关键字,因此在Synchronized块之间的操作也具备原子性。

可见性(Visibility):可见性是指当一个线程修改了共享变量的值,其它线程能够立即得知这个修改。Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存,在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存作为传递媒介的方法来实现可见性的,无论是普通变量还是volatile变量都是如此,普通变量与volatile变量的区别是,volatile的特殊规则保证了新值能立即同步到主内存,以及每次使用前立即从主内存刷新。因此,可以说volatile保证了多线程操作时变量的可见性,而普通变量则不能保证这一点。

除了volatile之外,Java中Synchronized和final也能实现可见性。同步块的可见性是由“对一个变量执行unlock操作之前,必须先把此变量同步回主内存中(执行store、write操作)”这条规则获得的,final关键字的可见性是指:被final修饰的字段在构造器中一旦初始化完成,并且构造器没有把“this”的引用传递出去(this引用逃逸是一件很危险的事情,其它线程有可能通过这个引用访问到“初始化了一半”的对象),那在其它线程中就能看见final字段的值。

有序性(Ordering):如果在本线程内观察,所有的操作都是有序的;如果在一个线程中观察另一个线程,所有的操作都是无序的。前半句是指“线程内表现为串行的语义”(Within-Thread As-If-Serial Semantics),后半句是指“指令重排序”现象和“工作内存与主内存同步延迟”现象。

Java中volatile和Synchronized这两个关键字保证线程之间操作的有序性,volatile关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义,而Synchronized则是由“一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作”这条规则获得的,这条规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。

Synchronized关键字在需要这3种特性的时候都可以作为其中一种的解决方案。

先行发生(happens-before)原则

这个原则非常重要,它是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据,依靠这个原则,我们可以通过几条规则一揽子地解决并发环境下两个操作之间是否可能存在冲突的所有问题。

先行发生是Java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系,如果说操作A先行发生于操作B,其实就是说在发生操作B之前,操作A产生的影响能被操作B观察到,“影响”包括修改了内存中共享变量的值、发送了消息、调用了方法等。

程序次序规则(Program Order Rule):在一个线程内,按照程序代码顺序,书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。准确地说,应该是控制流顺序而不是程序代码顺序,因为要考虑分支,循环等结构。

管程锁定规则(Monitor Lock Rule):一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。这里必须强调的是同一个锁,而“后面”是指时间上的先后顺序。

volatile变量规则(Volatile Variable Rule):对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作,这里的“后面”同样是指时间上的先后顺序。

线程启动规则(Thread Start Rule):Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作。

线程终止规则(Thread Termination Rule):线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测,我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值等手段检测到程序已经终止执行。

线程中断规则(Thread Interrupting Rule):对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生,可以通过Thread.interrupted()方法检测到是否有中断发生。

对象终结规则(Finalizer Rule):一个对象的初始化完成(构造函数执行结束)先行发生于ta的finalize()方法的开始。

传递性(Transitivity):如果操作A先行发生于操作B,操作B先行发生于操作C,那就可以得出操作A先行发生于操作C的结论。

Java语言无需任何同步手段保障就能成立的先行发生规则就只有上面这些了。

一个操作“时间上的先发生”不代表这个操作会是“先行发生”,那如果一个操作“先行发生”是否就能推导出这个操作必定是“时间上的先发生”呢?很遗憾,这个推论也是不成立的,一个典型的例子就是多次提到的“指令重排序”。

时间先后顺序与先行发生原则之间基本没有太大的关系,所以我们衡量并发安全问题的时候不要受到时间顺序的干扰,一切必须以先行发生原则为准。

本文地址:http://www.linuxidc.com/Linux/2016-09/135307.htm


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