并发编程的艺术之Java内存模型

Java内存模型的基础

处理两个关键问题:线程之间如何通信及线程之间如何同步?

这里的线程是指并发执行的活动实体,通信是指线程之间以何种机制来交换信息。

同步是指程序中用于控制不同线程间操作发生相对顺序的机制。

在命令式编程中,线程之间的通信机制有两种:共享内存和消息传递。

在共享内存的并发模型里,线程之间共享程序的公共状态,通过写-读内存中的公共状态进行隐式通信。

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在消息传递的并发模型里,线程之间没有公共状态,线程之间必须通过发送消息来显式进行通信。

在共享内存并发模型里,同步是显式进行的。程序员必须显式指定某个方法或某段代码需要在线程之间互斥执行。在消息传递并发模型里,由于消息的发送必须在消息的接收之前,因此同步是隐式进行的。Java的并发采用的是共享内存模型,Java线程之间的通信总是隐式进行,整个通信过程对程序员完全透明。

Java内存模型的抽象结构

在Java中,所有实例域、静态域和数组元素都存储在堆内存中,堆内存在线程之间共享(本章用“共享变量”这个术语代指实例域,静态域和数组元素)。局部变量(Local Variables),方法定义参数(Java语言规范称之为Formal Method Parameters)和异常处理器参数(ExceptionHandler Parameters)不会在线程之间共享,它们不会有内存可见性问题,也不受内存模型的影

响。Java线程之间的通信由Java内存模型(本文简称为JMM)控制,JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。如果线程A与线程B之间要通信的话,必须要经历下面2个步骤:

1)线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。

2)线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。

从源代码到指令序列的重排序

上述的1属于编译器重排序,2和3属于处理器重排序。

对于编译器,JMM的编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排序(不是所有的编译器重排序都要禁止)。对于处理器重排序,JMM的处理器重排序规则会要求Java编译器在生成指令序列时,插入特定类型的内存屏障(Memory Barriers,Intel称之为Memory Fence)指令,通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。

JMM属于语言级的内存模型,它确保在不同的编译器和不同的处理器平台之上,通过禁

止特定类型的编译器重排序和处理器重排序,为程序员提供一致的内存可见性保证。

由于写缓冲区仅对自己的处理器可见,它会导致处理器执行内存操作的

顺序可能会与内存实际的操作执行顺序不一致。由于现代的处理器都会使用写缓冲区,因此

现代的处理器都会允许对写-读操作进行重排序。

在JMM中,如果一个操作执行的结果需要对另一个操小编推荐一个学JAVA的学习裙【 一三三,九三零,六九三】,无论你是大牛还是小白,是想转行还是想入行都可以来了解一起进步一起学习!裙内有开发工具,很多干货和技术资分享!

作可见,那么这两个操作之间必须要存在happens-before关

系。这里提到的两个操作既可以是在一个线程之内,也可以是在不同线程之间。

·程序顺序规则:一个线程中的每个操作,happens-before于该线程中的任意后续操作。

·监视器锁规则:对一个锁的解锁,happens-before于随后对这个锁的加锁。

·volatile变量规则:对一个volatile域的写,happens-before于任意后续对这个volatile域的读。

·传递性:如果A happens-before B,且B happens-before C,那么A happens-before C。

注意:两个操作之间具有happens-before关系,并不意味着前一个操作必须要在后一个

操作之前执行!happens-before仅仅要求前一个操作(执行的结果)对后一个操作可见,且前一

个操作按顺序排在第二个操作之前(the first is visible to and ordered before the second)。

重排序

重排序是指编译器和处理器为了优化程序性能而对指令序列进行重新排序的一种手段。

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