概要

第1部分，基本概念

包括“并發(fā)、同步、主內(nèi)存、本地內(nèi)存、重排序、內(nèi)存屏障、happensbefore規(guī)則、as-if-serial規(guī)則、數(shù)據(jù)依賴性、順序一致性模型、JMM的含義和意義”。

第2部分，同步機制

該部分中就介紹了“同步”的3種方式：volatile、鎖、final。對于每一種方式，從該方式的“特性”、“建立的happensbefore關(guān)系”、“對應(yīng)的內(nèi)存語義”、“實現(xiàn)方式”等幾個方面進行了分析說明。實際上，JMM保證“如果程序正確同步，則執(zhí)行結(jié)果與順序一致性內(nèi)存模型的結(jié)果相同”的機制；而這部分這是確保程序正確同步的機制。

第3部分，JMM總結(jié)

第1部分 基本概念

1. 并發(fā)

定義：即，并發(fā)(同時)發(fā)生。在操作系統(tǒng)中，是指一個時間段中有幾個程序都處于已啟動運行到運行完畢之間，且這幾個程序都是在同一個處理機上運行，但任一個時刻點上只有一個程序在處理機上運行。

并發(fā)需要處理兩個關(guān)鍵問題：線程之間如何通信及線程之間如何同步。

(01) 通信 —— 是指線程之間如何交換信息。在命令式編程中，線程之間的通信機制有兩種：共享內(nèi)存和消息傳遞。

(02) 同步—— 是指程序用于控制不同線程之間操作發(fā)生相對順序的機制。在Java中，可以通過volatile，synchronized, 鎖等方式實現(xiàn)同步。

2.主內(nèi)存和本地內(nèi)存

主內(nèi)存? ? ?—— 即main memory。在java中，實例域、靜態(tài)域和數(shù)組元素是線程之間共享的數(shù)據(jù)，它們存儲在主內(nèi)存中。

本地內(nèi)存 —— 即local memory。 局部變量，方法定義參數(shù) 和 異常處理器參數(shù)是不會在線程之間共享的，它們存儲在線程的本地內(nèi)存中。

3.重排序

定義：重排序是指“編譯器和處理器”為了提高性能，而在程序執(zhí)行時會對程序進行的重排序。

說明：重排序分為——“編譯器”和“處理器”兩個方面，而“處理器”重排序又包括“指令級重排序”和“內(nèi)存的重排序”。

關(guān)于重排序，我們需要理解它的思想：為了提高程序的并發(fā)度，從而提高性能！但是對于多線程程序，重排序可能會導(dǎo)致程序執(zhí)行的結(jié)果不是我們需要的結(jié)果！因此，就需要我們通過“volatile，synchronize，鎖等方式”作出正確的實現(xiàn)同步。

4.內(nèi)存屏障

定義：包括LoadLoad, LoadStore, StoreLoad, StoreStore共4種內(nèi)存屏障。內(nèi)存屏障是與相應(yīng)的內(nèi)存重排序相對應(yīng)的。

5. happens-before

定義：JDK5(JSR-133)提供的概念，用于描述多線程操作之間的內(nèi)存可見性。如果一個操作執(zhí)行的結(jié)果需要對另一個操作可見，那么這兩個操作之間必須存在happens-before關(guān)系。

作用：描述多線程操作之間的內(nèi)存可見性。

? ? ? ? ?[程序順序規(guī)則]：一個線程中的每個操作，happens- before 于該線程中的任意后續(xù)操作。

? ? ? ? ?[監(jiān)視器鎖規(guī)則]：對一個監(jiān)視器鎖的解鎖，happens- before 于隨后對這個監(jiān)視器鎖的加鎖。

? ? ? ? ?[volatile變量規(guī)則]：對一個volatile域的寫，happens- before 于任意后續(xù)對這個volatile域的讀。

? ? ? ? ?[傳遞性]：如果A happens- before B，且B happens- before C，那么A happens- before C。

6. 數(shù)據(jù)依賴性

定義：如果兩個操作訪問同一個變量，且這兩個操作中有一個為寫操作，此時這兩個操作之間就存在數(shù)據(jù)依賴性。

作用：編譯器和處理器不會對“存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的兩個操作”執(zhí)行重排序。

7.as-if-serial

定義：不管怎么重排序，程序的執(zhí)行結(jié)果不能被改變。

8. 順序一致性內(nèi)存模型

定義：它是理想化的內(nèi)存模型。有以下規(guī)則：

? ? ? ? (01) 一個線程中的所有操作必須按照程序的順序來執(zhí)行。

? ? ? ? (02) 所有線程都只能看到一個單一的操作執(zhí)行順序。在順序一致性內(nèi)存模型中，每個操作都必須原子執(zhí)行且立刻對所有線程可見。

9. JMM

定義：Java Memory Mode，即Java內(nèi)存模型。它是Java線程之間通信的控制機制。

說明：JMM對Java程序作出保證——如果程序是正確同步的，程序的執(zhí)行將具有順序一致性。即，程序的執(zhí)行結(jié)果與該程序在順序一致性內(nèi)存模型中的執(zhí)行結(jié)果相同。

10. 可見性

可見性一般用于指不同線程之間的數(shù)據(jù)是否可見。

在java中， 實例域、靜態(tài)域和數(shù)組元素這些數(shù)據(jù)是線程之間共享的數(shù)據(jù)，它們存儲在主內(nèi)存中；主內(nèi)存中的所有數(shù)據(jù)對該內(nèi)存中的線程都是可見的。而局部變量，方法定義參數(shù) 和 異常處理器參數(shù)這些數(shù)據(jù)是不會在線程之間共享的，它們存儲在線程的本地內(nèi)存中；它們對其它線程是不可見的。

此外，對于主內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，在本地內(nèi)存中會對應(yīng)的創(chuàng)建該數(shù)據(jù)的副本(相當于緩沖)；這些副本對于其它線程也是不可見的。

11. 原子性

是指一個操作是按原子的方式執(zhí)行的。要么該操作不被執(zhí)行；要么以原子方式執(zhí)行，即執(zhí)行過程中不會被其它線程中斷。

第2部分 同步機制

1.volatile

1.1 作用

volatile變量自身具有下列特性：

? ? ? [可見性]：對一個volatile變量的讀，總是能看到（任意線程）對這個volatile變量最后的寫入。

1.2 volatile的內(nèi)存語義

volatile寫：當寫一個volatile變量時，JMM會把該線程對應(yīng)的本地內(nèi)存中的共享變量刷新到主內(nèi)存。

volatile讀：當讀一個volatile變量時，JMM會把該線程對應(yīng)的本地內(nèi)存置為無效。線程接下來將從主內(nèi)存中讀取共享變量。

1.3 JMM中的實現(xiàn)方式

JMM針對編譯器制定的volatile重排序規(guī)則表：

　　

下面是基于保守策略的JMM內(nèi)存屏障插入策略：

在每個volatile寫操作的前面插入一個StoreStore屏障。

在每個volatile寫操作的后面插入一個StoreLoad屏障。

在每個volatile讀操作的后面插入一個LoadLoad屏障。

在每個volatile讀操作的后面插入一個LoadStore屏障。

1.4 volatile和 synchronize對比

在功能上，監(jiān)視器鎖比volatile更強大；在可伸縮性和執(zhí)行性能上，volatile更有優(yōu)勢。

volatile僅僅保證對單個volatile變量的讀/寫具有原子性；而synchronize鎖的互斥執(zhí)行的特性可以確保對整個臨界區(qū)代碼的執(zhí)行具有原子性。

2.鎖

2.1 作用

鎖是java并發(fā)編程中最重要的同步機制。

2.2 鎖的內(nèi)存語義

? ? ?(01) 線程A釋放一個鎖，實質(zhì)上是線程A向接下來將要獲取這個鎖的某個線程發(fā)出了（線程A對共享變量所做修改的）消息。

? ? ?(02) 線程B獲取一個鎖，實質(zhì)上是線程B接收了之前某個線程發(fā)出的（在釋放這個鎖之前對共享變量所做修改的）消息。

? ? ?(03) 線程A釋放鎖，隨后線程B獲取這個鎖，這個過程實質(zhì)上是線程A通過主內(nèi)存向線程B發(fā)送消息。

2.3 JMM如何實現(xiàn)鎖

公平鎖

公平鎖是通過“volatile”實現(xiàn)同步的。公平鎖在釋放鎖的最后寫volatile變量state；在獲取鎖時首先讀這個volatile變量。根據(jù)volatile的happens-before規(guī)則，釋放鎖的線程在寫volatile變量之前可見的共享變量，在獲取鎖的線程讀取同一個volatile變量后將立即變的對獲取鎖的線程可見。

非公平鎖

通過CAS實現(xiàn)的，CAS就是compare and swap。CAS實際上調(diào)用的JNI函數(shù)，也就是CAS依賴于本地實現(xiàn)。以Intel來說，對于CAS的JNI實現(xiàn)函數(shù)，它保證：(01)禁止該CAS之前和之后的讀和寫指令重排序。(02)把寫緩沖區(qū)中的所有數(shù)據(jù)刷新到內(nèi)存中。

3.final

3.1 特性

對于基本類型的final域，編譯器和處理器要遵守兩個重排序規(guī)則：

(01) final寫：“構(gòu)造函數(shù)內(nèi)對一個final域的寫入”，與“隨后把這個被構(gòu)造對象的引用賦值給一個引用變量”，這兩個操作之間不能重排序。

(02) final讀：“初次讀一個包含final域的對象的引用”，與“隨后初次讀對象的final域”，這兩個操作之間不能重排序。

對于引用類型的final域，除上面兩條之外，還有一條規(guī)則：

(03) final寫：在“構(gòu)造函數(shù)內(nèi)對一個final引用的對象的成員域的寫入”，與“隨后在構(gòu)造函數(shù)外把這個被構(gòu)造對象的引用賦值給一個引用變量”，這兩個操作之間不能重排序。

注意：

寫final域的重排序規(guī)則可以確保：在引用變量為任意線程可見之前，該引用變量指向的對象的final域已經(jīng)在構(gòu)造函數(shù)中被正確初始化過了。其實要得到這個效果，還需要一個保證：在構(gòu)造函數(shù)內(nèi)部，不能讓這個被構(gòu)造對象的引用為其他線程可見，也就是對象引用不能在構(gòu)造函數(shù)中“逸出”。

3.2 JMM如何實現(xiàn)final

通過“內(nèi)存屏障”實現(xiàn)。

在final域的寫之后，構(gòu)造函數(shù)return之前，插入一個StoreStore障屏。在讀final域的操作前面插入一個LoadLoad屏障。

第3部分JMM總結(jié)

JMM保證：如果程序是正確同步的，程序的執(zhí)行將具有順序一致性 。

JMM設(shè)計

從JMM設(shè)計者的角度來說，在設(shè)計JMM時，需要考慮兩個關(guān)鍵因素：

? ? (01) 程序員對內(nèi)存模型的使用。程序員希望內(nèi)存模型易于理解，易于編程。程序員希望基于一個強內(nèi)存模型(程序盡可能的順序執(zhí)行)來編寫代碼。

? ? (02) 編譯器和處理器對內(nèi)存模型的實現(xiàn)。編譯器和處理器希望內(nèi)存模型對它們的束縛越少越好，這樣它們就可以做盡可能多的優(yōu)化(對程序重排序，做盡可能多的并發(fā))來提高性能。編譯器和處理器希望實現(xiàn)一個弱內(nèi)存模型。

JMM設(shè)計就需????要在這兩者之間作出協(xié)調(diào)。JMM對程序采取了不同的策略：

? ? (01) 對于會改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序，JMM要求編譯器和處理器必須禁止這種重排序。

? ? (02) 對于不會改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序，JMM對編譯器和處理器不作要求（JMM允許這種重排序）。