深入理解JMM之锁,final,总结

1 JMM

1 JMM

学习此篇文章，
先学习基础java内存模型(JMM)基础详解
然后学习入门JMM之并发模型,重排序规则,顺序一致性

1.1 锁

1.1.1 锁的释放-获取建立的happens-before 关系

锁是java并发编程中最重要的同步机制。锁除了让临界区互斥执行外，还可以让释放锁的线程向获取同一个锁的线程发送消息。
下面是锁释放-获取的示例代码：

class MonitorExample {
    int a = 0;
    public synchronized void writer() {  //1
        a++;                             //2
    }                                    //3
    public synchronized void reader() {  //4
        int i = a;                       //5
        ……
    }                                    //6
}

假设线程A执行writer()方法，随后线程B执行reader()方法。根据happens before规则，这个过程包含的happens before 关系可以分为两类：

根据程序次序规则，1 happens before 2, 2 happens before 3; 4 happens before 5, 5 happens before 6。
根据监视器锁规则，3 happens before 4。
根据happens before 的传递性，2 happens before 5。

上述happens before 关系的图形化表现形式如下：
在这里插入图片描述
在上图中，每一个箭头链接的两个节点，代表了一个happens before 关系。黑色箭头表示程序顺序规则；橙色箭头表示监视器锁规则；蓝色箭头表示组合这些规则后提供的happens before保证
上图表示在线程A释放了锁之后，随后线程B获取同一个锁。在上图中，2 happens before 5。因此，线程A在释放锁之前所有可见的共享变量，在线程B获取同一个锁之后，将立刻变得对B线程可见。

1.1.2 锁释放和获取的内存语义

当线程释放锁时，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中。以上面的MonitorExample程序为例，A线程释放锁后，共享数据的状态示意图如下：
在这里插入图片描述
当线程获取锁时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。从而使得被监视器保护的临界区代码必须要从主内存中去读取共享变量。下面是锁获取的状态示意图：

对比锁释放-获取的内存语义与volatile写-读的内存语义，可以看出：锁释放与volatile写有相同的内存语义；锁获取与volatile读有相同的内存语义。
下面对锁释放和锁获取的内存语义做个总结：

线程A释放一个锁，实质上是线程A向接下来将要获取这个锁的某个线程发出了（线程A对共享变量所做修改的）消息。
线程B获取一个锁，实质上是线程B接收了之前某个线程发出的（在释放这个锁之前对共享变量所做修改的）消息。
线程A释放锁，随后线程B获取这个锁，这个过程实质上是线程A通过主内存向线程B发送消息。

1.1.3 锁内存语义的实现

点击此处了解Lock中ReentrantLock知识点

1.1.4 concurrent包的实现

由于java的CAS同时具有 volatile读和volatile写的内存语义，因此Java线程之间的通信现在有了下面四种方式：

A线程写volatile变量，随后B线程读这个volatile变量。
A线程写volatile变量，随后B线程用CAS更新这个volatile变量。
A线程用CAS更新一个volatile变量，随后B线程用CAS更新这个volatile变量。
A线程用CAS更新一个volatile变量，随后B线程读这个volatile变量。

Java的CAS会使用现代处理器上提供的高效机器级别原子指令，这些原子指令以原子方式对内存执行读-改-写操作，这是在多处理器中实现同步的关键（从本质上来说，能够支持原子性读-改-写指令的计算机器，是顺序计算图灵机的异步等价机器，因此任何现代的多处理器都会去支持某种能对内存执行原子性读-改-写操作的原子指令）。同时，volatile变量的读/写和CAS可以实现线程之间的通信。把这些特性整合在一起，就形成了整个concurrent包得以实现的基石。如果我们仔细分析concurrent包的源代码实现，会发现一个通用化的实现模式：

声明共享变量为volatile；
使用CAS的原子条件更新来实现线程之间的同步；
配合以volatile的读/写和CAS所具有的volatile读和写的内存语义来实现线程之间的通信。

AQS，非阻塞数据结构和原子变量类（java.util.concurrent.atomic包中的类），这些concurrent包中的基础类都是使用这种模式来实现的，而concurrent包中的高层类又是依赖于这些基础类来实现的。从整体来看，concurrent包的实现示意图如下：
在这里插入图片描述

1.2 final

与前面介绍的锁和volatile相比较，对final域的读和写更像是普通的变量访问。对于final域，编译器和处理器要遵守两个重排序规则：

在构造函数内对一个final域的写入，与随后把这个被构造对象的引用赋值给一个引用变量，这两个操作之间不能重排序。
初次读一个包含final域的对象的引用，与随后初次读这个final域，这两个操作之间不能重排序。

下面，我们通过一些示例性的代码来分别说明这两个规则：

public class FinalExample {
    int i;                            //普通变量
    final int j;                      //final变量
    static FinalExample obj;
    public FinalExample () {     //构造函数
        i = 1;                        //写普通域
        j = 2;                        //写final域
    }
    public static void writer () {    //写线程A执行
        obj = new FinalExample ();
    }
    public static void reader () {       //读线程B执行
        FinalExample object = obj;       //读对象引用
        int a = object.i;                //读普通域
        int b = object.j;                //读final域
    }
}

这里假设一个线程A执行writer()方法，随后另一个线程B执行reader()方法。下面我们通过这两个线程的交互来说明这两个规则。

1.2.1 写final域的重排序规则

写final域的重排序规则禁止把final域的写重排序到构造函数之外。这个规则的实现包含下面2个方面：

JMM禁止编译器把final域的写重排序到构造函数之外。
编译器会在final域的写之后，构造函数return之前，插入一个StoreStore屏障。这个屏障禁止处理器把final域的写重排序到构造函数之外。

现在让我们分析writer ()方法。writer ()方法只包含一行代码：finalExample = new FinalExample ()。这行代码包含两个步骤：

构造一个FinalExample类型的对象；
把这个对象的引用赋值给引用变量obj。

假设线程B读对象引用与读对象的成员域之间没有重排序（马上会说明为什么需要这个假设），下图是一种可能的执行时序：
在这里插入图片描述
在上图中，写普通域的操作被编译器重排序到了构造函数之外，读线程B错误的读取了普通变量i初始化之前的值。而写final域的操作，被写final域的重排序规则限定在了构造函数之内，读线程B正确的读取了final变量初始化之后的值。
写final域的重排序规则可以确保：在对象引用为任意线程可见之前，对象的final域已经被正确初始化过了，而普通域不具有这个保障。以上图为例，在读线程B“看到”对象引用obj时，很可能obj对象还没有构造完成（对普通域i的写操作被重排序到构造函数外，此时初始值2还没有写入普通域i）。

1.2.2 读final域的重排序规则

读final域的重排序规则如下：
在一个线程中，初次读对象引用与初次读该对象包含的final域，JMM禁止处理器重排序这两个操作（注意，这个规则仅仅针对处理器）。编译器会在读final域操作的前面插入一个LoadLoad屏障。
初次读对象引用与初次读该对象包含的final域，这两个操作之间存在间接依赖关系。由于编译器遵守间接依赖关系，因此编译器不会重排序这两个操作。大多数处理器也会遵守间接依赖，大多数处理器也不会重排序这两个操作。但有少数处理器允许对存在间接依赖关系的操作做重排序，这个规则就是专门用来针对这种处理器。
reader()方法包含三个操作：

初次读引用变量obj;
初次读引用变量obj指向对象的普通域j。
初次读引用变量obj指向对象的final域i。

现在我们假设写线程A没有发生任何重排序，同时程序在不遵守间接依赖的处理器上执行，下面是一种可能的执行时序：
在这里插入图片描述

在上图中，读对象的普通域的操作被处理器重排序到读对象引用之前。读普通域时，该域还没有被写线程A写入，这是一个错误的读取操作。而读final域的重排序规则会把读对象final域的操作限定在读对象引用之后，此时该final域已经被A线程初始化过了，这是一个正确的读取操作。
读final域的重排序规则可以确保：在读一个对象的final域之前，一定会先读包含这个final域的对象的引用。在这个示例程序中，如果该引用不为null，那么引用对象的final域一定已经被A线程初始化过了。

1.2.3 引用类型的final域

上面我们看到的final域是基础数据类型，下面让我们看看如果final域是引用类型，将会有什么效果？
请看下列示例代码：

public class FinalReferenceExample {
final int[] intArray;                     //final是引用类型
static FinalReferenceExample obj;

public FinalReferenceExample () {        //构造函数
    intArray = new int[1];              //1
    intArray[0] = 1;                   //2
}

public static void writerOne () {          //写线程A执行
    obj = new FinalReferenceExample ();  //3
}

public static void writerTwo () {          //写线程B执行
    obj.intArray[0] = 2;                 //4
}

public static void reader () {              //读线程C执行
    if (obj != null) {                    //5
        int temp1 = obj.intArray[0];       //6
    }
}
}

这里final域为一个引用类型，它引用一个int型的数组对象。对于引用类型，写final域的重排序规则对编译器和处理器增加了如下约束：
在构造函数内对一个final引用的对象的成员域的写入，与随后在构造函数外把这个被构造对象的引用赋值给一个引用变量，这两个操作之间不能重排序。
对上面的示例程序，我们假设首先线程A执行writerOne()方法，执行完后线程B执行writerTwo()方法，执行完后线程C执行reader ()方法。下面是一种可能的线程执行时序：
在这里插入图片描述

在上图中，1是对final域的写入，2是对这个final域引用的对象的成员域的写入，3是把被构造的对象的引用赋值给某个引用变量。这里除了前面提到的1不能和3重排序外，2和3也不能重排序
JMM可以确保读线程C至少能看到写线程A在构造函数中对final引用对象的成员域的写入。即C至少能看到数组下标0的值为1。而写线程B对数组元素的写入，读线程C可能看的到，也可能看不到。JMM不保证线程B的写入对读线程C可见，因为写线程B和读线程C之间存在数据竞争，此时的执行结果不可预知。
如果想要确保读线程C看到写线程B对数组元素的写入，写线程B和读线程C之间需要使用同步原语（lock或volatile）来确保内存可见性。

1.2.4 为什么final引用不能从构造函数内“逸出”

前面我们提到过，写final域的重排序规则可以确保：在引用变量为任意线程可见之前，该引用变量指向的对象的final域已经在构造函数中被正确初始化过了。其实要得到这个效果，还需要一个保证：在构造函数内部，不能让这个被构造对象的引用为其他线程可见，也就是对象引用不能在构造函数中“逸出”。为了说明问题，让我们来看下面示例代码：

public class FinalReferenceEscapeExample {
final int i;
static FinalReferenceEscapeExample obj;

public FinalReferenceEscapeExample () {
    i = 1;                              //1写final域
    obj = this;                         //2 this引用在此“逸出”
}

public static void writer() {
    new FinalReferenceEscapeExample ();
}

public static void reader {
    if (obj != null) {                     //3
        int temp = obj.i;                 //4
    }
}
}

假设一个线程A执行writer()方法，另一个线程B执行reader()方法。这里的操作2使得对象还未完成构造前就为线程B可见。即使这里的操作2是构造函数的最后一步，且即使在程序中操作2排在操作1后面，执行read()方法的线程仍然可能无法看到final域被初始化后的值，因为这里的操作1和操作2之间可能被重排序。实际的执行时序可能如下图所示：
在这里插入图片描述

从上图我们可以看出：在构造函数返回前，被构造对象的引用不能为其他线程可见，因为此时的final域可能还没有被初始化。在构造函数返回后，任意线程都将保证能看到final域正确初始化之后的值。

1.2.5 final语义在处理器中的实现

现在以x86处理器为例，说明final语义在处理器中的具体实现。
上面我们提到，写final域的重排序规则会要求译编器在final域的写之后，构造函数return之前，插入一个StoreStore障屏。读final域的重排序规则要求编译器在读final域的操作前面插入一个LoadLoad屏障。
由于x86处理器不会对写-写操作做重排序，所以在x86处理器中，写final域需要的StoreStore障屏会被省略掉。同样，由于x86处理器不会对存在间接依赖关系的操作做重排序，所以在x86处理器中，读final域需要的LoadLoad屏障也会被省略掉。也就是说在x86处理器中，final域的读/写不会插入任何内存屏障

1.2.6 JSR-133为什么要增强final的语义

在旧的Java内存模型中，最严重的一个缺陷就是线程可能看到final域的值会改变。比如，一个线程当前看到一个整形final域的值为0（还未初始化之前的默认值），过一段时间之后这个线程再去读这个final域的值时，却发现值变为了1（被某个线程初始化之后的值）。最常见的例子就是在旧的Java内存模型中，String的值可能会改变
为了修补这个漏洞，JSR-133专家组增强了final的语义。通过为final域增加写和读重排序规则，可以为java程序员提供初始化安全保证：只要对象是正确构造的（被构造对象的引用在构造函数中没有“逸出”），那么不需要使用同步（指lock和volatile的使用），就可以保证任意线程都能看到这个final域在构造函数中被初始化之后的值

1.3 总结

1.3.1 内存模型总结

顺序一致性内存模型是一个理论参考模型，JMM和处理器内存模型在设计时通常会把顺序一致性内存模型作为参照。JMM和处理器内存模型在设计时会对顺序一致性模型做一些放松，因为如果完全按照顺序一致性模型来实现处理器和JMM，那么很多的处理器和编译器优化都要被禁止，这对执行性能将会有很大的影响。
根据对不同类型读/写操作组合的执行顺序的放松，可以把常见处理器的内存模型划分为下面几种类型：

放松程序中写-读操作的顺序，由此产生了total store ordering内存模型（简称为TSO）。
在前面1的基础上，继续放松程序中写-写操作的顺序，由此产生了partial store order 内存模型（简称为PSO）。
在前面1和2的基础上，继续放松程序中读-写和读-读操作的顺序，由此产生了relaxed memory order内存模型（简称为RMO）和PowerPC内存模型。

注意，这里处理器对读/写操作的放松，是以两个操作之间不存在数据依赖性为前提的（因为处理器要遵守as-if-serial语义，处理器不会对存在数据依赖性的两个内存操作做重排序）。
下面的表格展示了常见处理器内存模型的细节特征：

内存模型名称	对应的处理器	Store-Load 重排序	Store-Store重排序	Load-Load 和Load-Store重排序	可以更早读取到其它处理器的写	可以更早读取到当前处理器的写
TSO	sparc-TSOX64	Y				Y
PSO	sparc-PSO	Y	Y			Y
RMO	ia64	Y	Y	Y		Y
PowerPC	PowerPC	Y	Y	Y	Y	Y

在这个表格中，我们可以看到所有处理器内存模型都允许写-读重排序，它们都使用了写缓存区，写缓存区可能导致写-读操作重排序。同时，我们可以看到这些处理器内存模型都允许更早读到当前处理器的写，原因同样是因为写缓存区：由于写缓存区仅对当前处理器可见，这个特性导致当前处理器可以比其他处理器先看到临时保存在自己的写缓存区中的写。
上面表格中的各种处理器内存模型，从上到下，模型由强变弱。越是追求性能的处理器，内存模型设计的会越弱。因为这些处理器希望内存模型对它们的束缚越少越好，这样它们就可以做尽可能多的优化来提高性能。
由于常见的处理器内存模型比JMM要弱，java编译器在生成字节码时，会在执行指令序列的适当位置插入内存屏障来限制处理器的重排序。同时，由于各种处理器内存模型的强弱并不相同，为了在不同的处理器平台向程序员展示一个一致的内存模型，JMM在不同的处理器中需要插入的内存屏障的数量和种类也不相同。下图展示了JMM在不同处理器内存模型中需要插入的内存屏障的示意图：
在这里插入图片描述
如上图所示，JMM屏蔽了不同处理器内存模型的差异，它在不同的处理器平台之上为java程序员呈现了一个一致的内存模型。

1.3.2 JMM,处理器内存模型与顺序一致性内存模型之间的关系

JMM是一个语言级的内存模型，处理器内存模型是硬件级的内存模型，顺序一致性内存模型是一个理论参考模型。下面是语言内存模型，处理器内存模型和顺序一致性内存模型的强弱对比示意图：
在这里插入图片描述
从上图我们可以看出：常见的4种处理器内存模型比常用的3中语言内存模型要弱，处理器内存模型和语言内存模型都比顺序一致性内存模型要弱。同处理器内存模型一样，越是追求执行性能的语言，内存模型设计的会越弱。

1.3.3 JMM的设计

从JMM设计者的角度来说，在设计JMM时，需要考虑两个关键因素：

程序员对内存模型的使用。程序员希望内存模型易于理解，易于编程。程序员希望基于一个强内存模型来编写代码。
编译器和处理器对内存模型的实现。编译器和处理器希望内存模型对它们的束缚越少越好，这样它们就可以做尽可能多的优化来提高性能。编译器和处理器希望实现一个弱内存模型。

由于这两个因素互相矛盾，所以JSR-133专家组在设计JMM时的核心目标就是找到一个好的平衡点：一方面要为程序员提供足够强的内存可见性保证；另一方面，对编译器和处理器的限制要尽可能的放松。下面让我们看看JSR-133是如何实现这一目标的。
为了具体说明，请看前面提到过的计算圆面积的示例代码：

double pi  = 3.14;    //A
double r   = 1.0;     //B
double area = pi * r * r; //C

上面计算圆的面积的示例代码存在三个happens- before关系：

A happens- before B；
B happens- before C；
A happens- before C；

由于A happens- before B，happens- before的定义会要求：A操作执行的结果要对B可见，且A操作的执行顺序排在B操作之前。但是从程序语义的角度来说，对A和B做重排序即不会改变程序的执行结果，也还能提高程序的执行性能（允许这种重排序减少了对编译器和处理器优化的束缚）。也就是说，上面这3个happens- before关系中，虽然2和3是必需要的，但1是不必要的。因此，JMM把happens- before要求禁止的重排序分为了下面两类：

会改变程序执行结果的重排序。
不会改变程序执行结果的重排序。

JMM对这两种不同性质的重排序，采取了不同的策略：

对于会改变程序执行结果的重排序，JMM要求编译器和处理器必须禁止这种重排序。
对于不会改变程序执行结果的重排序，JMM对编译器和处理器不作要求（JMM允许这种重排序）。
下面是JMM的设计示意图：

从上图可以看出两点：
JMM向程序员提供的happens- before规则能满足程序员的需求。JMM的happens- before规则不但简单易懂，而且也向程序员提供了足够强的内存可见性保证（有些内存可见性保证其实并不一定真实存在，比如上面的A happens- before B）。
JMM对编译器和处理器的束缚已经尽可能的少。
从上面的分析我们可以看出，JMM其实是在遵循一个基本原则：只要不改变程序的执行结果（指的是单线程程序和正确同步的多线程程序），编译器和处理器怎么优化都行。比如，如果编译器经过细致的分析后，认定一个锁只会被单个线程访问，那么这个锁可以被消除。再比如，如果编译器经过细致的分析后，认定一个volatile变量仅仅只会被单个线程访问，那么编译器可以把这个volatile变量当作一个普通变量来对待。这些优化既不会改变程序的执行结果，又能提高程序的执行效率。

1.3.4 JMM的内存可见性保证

Java程序的内存可见性保证按程序类型可以分为下列三类：

单线程程序。单线程程序不会出现内存可见性问题。编译器，runtime和处理器会共同确保单线程程序的执行结果与该程序在顺序一致性模型中的执行结果相同。
正确同步的多线程程序。正确同步的多线程程序的执行将具有顺序一致性（程序的执行结果与该程序在顺序一致性内存模型中的执行结果相同）。这是JMM关注的重点，JMM通过限制编译器和处理器的重排序来为程序员提供内存可见性保证。
未同步/未正确同步的多线程程序。JMM为它们提供了最小安全性保障：线程执行时读取到的值，要么是之前某个线程写入的值，要么是默认值（0，null，false）。

下图展示了这三类程序在JMM中与在顺序一致性内存模型中的执行结果的异同：
在这里插入图片描述
只要多线程程序是正确同步的，JMM保证该程序在任意的处理器平台上的执行结果，与该程序在顺序一致性内存模型中的执行结果一致

1.3.5 JSR-133对旧内存模型的修补

JSR-133对JDK5之前的旧内存模型的修补主要有两个：

增强volatile的内存语义。旧内存模型允许volatile变量与普通变量重排序。JSR-133严格限制volatile变量与普通变量的重排序，使volatile的写-读和锁的释放-获取具有相同的内存语义。
增强final的内存语义。在旧内存模型中，多次读取同一个final变量的值可能会不相同。为此，JSR-133为final增加了两个重排序规则。现在，final具有了初始化安全性

posted @ 2021-11-21 11:08 上善若泪阅读(146) 评论(0) 编辑收藏举报

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