《Java并发编程的艺术》第三章--3.1--Java内存模型的基础

3.1.1　并发编程模型的两个关键问题

在并发编程中，须要处理两个关键问题：线程之间如何通讯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）。通讯是指线程之间以何种机制来交换信息。在命令式编程

中，线程之间的通讯机制有两种：共享内存和消息传递。

共享内存模式：经过写-读内存中的公共状态进行隐式通讯

消息传递模式：若是线程之间没有公共状态，线程之间必须经过发送消息来显式进行通讯。

同步是指程序中用于控制不一样线程间操做发生相对顺序的机制。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须要在线程之间互斥执行。

在消息传递的并发模型里，因为消息的发送必须在消息的接收以前，所以同步是隐式进行的。

Java的并发采用的是共享内存模型，Java线程之间的通讯老是隐式进行，整个通讯过程对

程序员彻底透明。若是编写多线程程序的Java程序员不理解隐式进行的线程之间通讯的工做

机制，极可能会遇到各类奇怪的内存可见性问题。

3.1.2　Java内存模型的抽象结构

Java线程之间的通讯由Java内存模型（本文简称为JMM）控制，JMM决定一个线程对共享

变量的写入什么时候对另外一个线程可见。从抽象的角度来看，JMM定义了线程和主内存之间的抽

象关系：线程之间的共享变量存储在主内存（Main Memory）中，每一个线程都有一个私有的本地

内存（Local Memory），本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。本地内存是JMM的

一个抽象概念，并不真实存在。它涵盖了缓存、写缓冲区、寄存器以及其余的硬件和编译器优

化。Java内存模型的抽象示意如图3-1所示。

3.1.3　从源代码到指令序列的重排序

在执行程序时，为了提升性能，编译器和处理器经常会对指令作重排序。重排序分3种类

型。

1）编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，能够从新安排语句

的执行顺序。

2）指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术（Instruction-Level

Parallelism，ILP）来将多条指令重叠执行。若是不存在数据依赖性，处理器能够改变语句对应

机器指令的执行顺序。

3）内存系统的重排序。因为处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操做看上

去多是在乱序执行。

从Java源代码到最终实际执行的指令序列，会分别经历下面3种重排序，如图3-3所示。

上述的1属于编译器重排序，2和3属于处理器重排序。这些重排序可能会致使多线程程序

出现内存可见性问题。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（不是全部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，经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，它确保在不一样的编译器和不一样的处理器平台之上，经过禁

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。

3.1.4　并发编程模型的分类

现代的处理器使用写缓冲区临时保存向内存写入的数据。写缓冲区能够保证指令流水线

持续运行，它能够避免因为处理器停顿下来等待向内存写入数据而产生的延迟。同时，经过以

批处理的方式刷新写缓冲区，以及合并写缓冲区中对同一内存地址的屡次写，减小对内存总

线的占用。虽然写缓冲区有这么多好处，但每一个处理器上的写缓冲区，仅仅对它所在的处理器

可见。这个特性会对内存操做的执行顺序产生重要的影响：处理器对内存的读/写操做的执行

顺序，不必定与内存实际发生的读/写操做顺序一致。这里的关键是，因为写缓冲区仅对本身的处理器可见，它会致使处理器执行内存操做的顺序可能会与内存实际的操做执行顺序不一致。因为现代的处理器都会使用写缓冲区，所以现代的处理器都会容许对写-读操做进行重排序。

为了保证内存可见性，Java编译器在生成指令序列的适当位置会插入内存屏障指令来禁

止特定类型的处理器重排序。JMM把内存屏障指令分为4类，如表3-3所示。

StoreLoad Barriers是一个“全能型”的屏障，它同时具备其余3个屏障的效果。现代的多处

理器大多支持该屏障（其余类型的屏障不必定被全部处理器支持）。执行该屏障开销会很昂

贵，由于当前处理器一般要把写缓冲区中的数据所有刷新到内存中（Buffer Fully Flush）。

3.1.5　happens-before简介

从JDK 5开始，Java使用新的JSR-133内存模型（除非特别说明，本文针对的都是JSR-133内

存模型）。JSR-133使用happens-before的概念来阐述操做之间的内存可见性。在JMM中，若是一

个操做执行的结果须要对另外一个操做可见，那么这两个操做之间必需要存在happens-before关

系。这里提到的两个操做既能够是在一个线程以内，也能够是在不一样线程之间。

与程序员密切相关的happens-before规则以下。

·程序顺序规则：一个线程中的每一个操做，happens-before于该线程中的任意后续操做。

·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：若是A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。

注意　两个操做之间具备happens-before关系，并不意味着前一个操做必需要在后一个

操做以前执行！happens-before仅仅要求前一个操做（执行的结果）对后一个操做可见，且前一

个操做按顺序排在第二个操做以前（the first is visible to and ordered before the second）。

happens-before的定义很微妙，后文会具体说明happens-before为何要这么定义。

happens-before与JMM的关系如图3-5所示。

 

 

如图3-5所示，一个happens-before规则对应于一个或多个编译器和处理器重排序规则。对

于Java程序员来讲，happens-before规则简单易懂，它避免Java程序员为了理解JMM提供的内存

可见性保证而去学习复杂的重排序规则以及这些规则的具体实现方法。

ps.关于Happens-Before具体细则能够参考这篇博客：从Java多线程可见性谈Happens-Before原则。