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[Java教程]轻松学JVM(二)——内存模型、可见性、指令重排序

    上一篇我们介绍了JVM的基本运行流程以及内存结构,对JVM有了初步的认识,这篇文章我们将根据JVM的内存模型探索java当中变量的可见性以及不同的java指令在并发时可能发生的指令重排序的情况。

内存模型

    首先我们思考一下一个java线程要向另外一个线程进行通信,应该怎么做,我们再把需求明确一点,一个java线程对一个变量的更新怎么通知到另外一个线程呢?我们知道java当中的实例对象、数组元素都放在java堆中,java堆是线程共享的。(我们这里把java堆称为主内存),而每一个线程都是自己私有的内存空间(称为工作内存),如果线程1要向线程2通信,一定会经过类似的流程:

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1、 线程1将自己工作内存中的X更新为1并刷新到主内存中;

2、 线程2从主内存读取变量X=1,更新到自己的工作内存中,从而线程2读取的X就是线程1更新后的值。

从上面的流程看出线程之间的通信都需要经过主内存,而主内存与工作内存的交互,则需要Java内存模型(JMM)来管理器。下图演示了JMM如何管理主内存和工作内存:

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当线程1需要将一个更新后的变量值刷新到主内存中时,需要经过两个步骤:

1、 工作内存执行store操作;

2、 主内存执行write操作;

完成这两步即可将工作内存中的变量值刷新到主内存,即线程1工作内存和主内存的变量值保持一致;

当线程2需要从主内存中读取变量的最新值时,同样需要经过两个步骤:

1、主内存执行read操作,将变量值从主内存中读取出来;

2、工作内存执行load操作,将读取出来的变量值更新到本地内存的副本;

完成这两步,线程2的变量和主内存的变量值就保持一致了。

可见性

    Java中有一个关键字volatile,它有什么用呢?这个答案其实就在上述java线程间通信机制中,我们想象一下,由于工作内存这个中间层的出现,线程1和线程2必然存在延迟的问题,例如线程1在工作内存中更新了变量,但还没刷新到主内存,而此时线程2获取到的变量值就是未更新的变量值,又或者线程1成功将变量更新到主内存,但线程2依然使用自己工作内存中的变量值,同样会出问题。不管出现哪种情况都可能导致线程间的通信不能达到预期的目的。例如以下例子:

//线程1 boolean stop = false; while(!stop){ doSomething(); } //线程2
stop 
= true;

这个经典的例子表示线程2通过修改stop的值,控制线程1中断,但在真实环境中可能会出现意想不到的结果,线程2在执行之后,线程1并没有立刻中断甚至一直不会中断。出现这种现象的原因就是线程2对线程1的变量更新无法第一时间获取到。

但这一切等到Volatile出现后,再也不是问题,Volatile保证两件事:

1、 线程1工作内存中的变量更新会强制立即写入到主内存;

2、 线程2工作内存中的变量会强制立即失效,这使得线程2必须去主内存中获取最新的变量值。

所以这就理解了Volatile保证了变量的可见性,因为线程1对变量的修改能第一时间让线程2可见。

指令重排序

关于指令排序我们先看一段代码:

int a = 0;
boolean flag = false;

//线程1

public void writer() {

a = 1;

flag = true;

}

//线程2

public void reader() {

if (flag) {

int i= a+1;

...... }

}

线程1依次执行a=1,flag=true;线程2判断到flag==true后,设置i=a+1,根据代码语义,我们可能会推断此时i的值等于2,因为线程2在判断flag==true时,线程1已经执行了a=1;所以i的值等于a+1=1+1=2;但真实情况却不一定如此,引起这个问题的原因是线程1内部的两条语句a=1;flag=true;可能被重新排序执行,如图:

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这就是指令重排序的简单演示,两个赋值语句尽管他们的代码顺序是一前一后,但真正执行时却不一定按照代码顺序执行。你可能会说,有这个指令重排序那不是乱套了吗?我写的程序都不按我的代码流程走,这怎么玩?这个你可以放心,你的程序不会乱套,因为java和CPU、内存之间都有一套严格的指令重排序规则,哪些可以重排,哪些不能重排都有规矩的。下列流程演示了一个java程序从编译到执行会经历哪些重排序:

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在这个流程中第一步属于编译器重排查,编译器重排序会按JMM的规范严格进行,换言之编译器重排序一般不会对程序的正确逻辑造成影响。第二、三步属于处理器重排序,处理器重排序JMM就不好管了,怎么办呢?它会要求java编译器在生成指令时加入内存屏障,内存屏障是什么?你可以理解为一个不透风的保护罩,把不能重排序的java指令保护起来,那么处理器在遇到内存屏障保护的指令时就不会对它进行重排序了。关于在哪些地方该加入内存屏障,内存屏障有哪些种类,各有什么作用,这些知识点这里就不再阐述了。可以参考JVM规范相关资料。

下面介绍一下在同一个线程中,不会被重排序的逻辑:

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这三种情况中,任意改变一个代码的顺序,结果都会大不相同,对于这样的逻辑代码,是不会被重排序的。注意这是指单线程中不会被重排序,如果在多线程环境下,还是会产生逻辑问题,例如我们一开始举的例子。

结语

本文简单介绍了java在实现线程间通信时的简单原理,并介绍了volatile关键字的作用,最后介绍了java当中可能会出现指令重排序的情况。下一篇将介绍JVM中的参数设置对java程序的影响。

 

参考资料:

《实战Java虚拟机》 葛一鸣

《深入理解Java虚拟机(第2版)》 周志明

《深入理解Java内存模型》 程晓明