Java内存模型及内存可见性

Contents
  1. 共享变量在线程间的可见性
    1. 什么是可见性
    2. Java内存模型(JMM)
    3. 共享变量可见性实现原理
  2. synchronized实现可见性
    1. 指令重排序
    2. as-if-serial语义
    3. 可见性分析
  3. volatile实现可见性
    1. volatile使用注意事项
  4. synchronized和volatile比较

本篇是观看细说Java多线程之内存可见性后的笔记。

共享变量在线程间的可见性

什么是可见性

  • 可见性:一个线程对共享变量值的修改,能够及时地被其他线程看到;
  • 共享变量:如果一个变量在多个线程的工作内存中都存在副本,那么这个变量就是这几个线程的共享变量。

Java内存模型(JMM)

Java内存模型(Java Memory Model)描述了Java程序中各种变量(线程共享变量)的访问规则,以及JVM中将变量存储到内存和从主内存读取出变量这样的底层细节。

以下所说的变量都指的是共享变量

  • 所有的变量都存储在主内存中;
  • 每个线程都有自己独立的工作内存,里面保存该线程使用到的变量的副本(主内存中该变量的一份拷贝)。

JMM

两条规定:

  1. 线程对共享变量的所有操作都必须在自己的工作内存中进行,不能直接从主内存中读写;
  2. 不同线程之间无法直接访问其他线程工作内存中的变量,线程间变量值的传递需要通过主内存来完成。

共享变量可见性实现原理

线程1对共享变量的修改要想被线程2及时看到,必须要经过下面两个步骤:

  1. 把工作内存1中更新过的共享变量刷新到主内存中;
  2. 将主内存中最新的共享变量的值更新到工作内存2中。

synchronized实现可见性

synchronized能够实现:

  • 原子性(同步)
  • 可见性

JMM关于synchronized的两条规定:

  • 线程解锁前,必须把共享变量的最新值刷新到主内存中;
  • 线程加锁时,将清空工作内存中共享变量的值,从而使用共享变量时需要从主内存中重新读取最新的值(注意:加锁与解锁需要是同一把锁)。

以上两条规定可以保证:线程在解锁前对共享变量的修改在下次加锁时对其他线程可见。

线程执行互斥代码的过程:

  1. 获得互斥锁
  2. 清空工作内存;
  3. 从主内存拷贝变量的最新副本到工作内存;
  4. 执行代码;
  5. 将更改后的共享变量的值刷新到主内存;
  6. 释放互斥锁。

指令重排序

重排序:代码书写的顺序与实际执行的顺序不同,指令重排序是编译器或处理器为了提高程序性能而做的优化。

  1. 编译器优化的重排序(编译器优化);
  2. 指令级并行重排序(处理器优化);
  3. 内存系统的重排序(处理器优化)。

例如(有可能):

1
2
3
4
5
6
7
// 代码顺序
int number = 1;
int result = 0;
// 执行顺序
int result = 0;
int number = 1;

as-if-serial语义

as-if-serial:无论如何重排序,程序执行结果应该与代码顺序执行的结果一致(Java编译器、运行时和处理器都会保证Java在单线程下遵循as-if-serial语义)。

例如:

1
2
3
int num1 = 1;
int num2 = 2;
int sum = num1 + num2;

单线程中,第1、2行顺序可以重排,但第3行不能。重排序不会给单线程带来内存可见性问题。但是在多线程中程序交错执行时,重排序可能会造成内存可见性问题。

可见性分析

导致共享变量在线程间不可见的原因:

  • 线程的交叉执行;
  • 重排序结合线程交叉执行;
  • 共享变量更新后的值没有在工作内存与主内存间及时更新。

volatile实现可见性

volatile关键字:

  • 能够保证volatile变量的可见性
  • 不能保证volatile变量复合操作的原子性

volatile如何实现内存可见性:深入来说,通过加入内存屏障和禁止重排序优化来实现的。

  • 对volatile变量执行写操作时,会在写操作后加入一条store屏障指令(写后强制刷新到主内存中去);
  • 对volatile变量执行读操作时,会在读操作前加入一条load屏障指令(强制使工作内存中的变量拷贝失效)。

通俗的讲,volatile变量在每次被线程访问时,都强迫从主内存中重读改变量的值,而当该变量发生变化时,又会强迫线程将最新的值刷新回主内存。这样任何时刻,不同的线程总能看到该变量的最新值。

线程写volatile变量的过程:

  1. 改变线程工作内存中volatile变量副本的值;
  2. 将改变后的副本的值从工作内存刷新回主内存。

线程读volatile变量的过程:

  1. 从主内存中读取volatile变量的最新值到线程的工作内存中;
  2. 从工作内存中读取volatile变量的副本。

volatile使用注意事项

要在多线程中安全的使用volatile变量,必须同时满足:

  1. 对变量的写入操作不依赖其当前值,即不满足number++、count *= 5等,满足boolean变量等;
  2. 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中,即若程序中有多个volatile变量,那么每个volatile变量要独立于其他volatile变量。

日常中我们很多情况都与上述两点中的一点有冲突,所以volatile并没有synchronized使用得广泛。

synchronized和volatile比较

  • volatile不会加锁,比synchronized更轻量级,不会阻塞线程,执行效率更高;
  • 从内存可见性角度讲,volatile读相当于加锁,volatile写相当于解锁;
  • synchronized既能保证可见性,又能保证原子性,而volatile只能保证可见性,无法保证原子性。