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java内存模型

news 来源：原创 2025/6/21 12:04:44

文章目录

  • 1.java内存模型
  • 2.重排序
  • 3.内存屏障
    • 3.1四类内存屏障指令
  • 4.happens-before
  • 4.1 规则
  • 5.volatile
    • 5.1特性
    • 5.2规则
    • 5.3 内存语义
    • 5.4 内存屏障插入策略

1.java内存模型

java内存模型（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中，每个线程都有一个私有的本地内存，本地内存中存储了共享变量的副本。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，寄存器以及其他的硬件和编译器优化。JMM通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互，来提供内存可见性保证。
作用：JMM决定一个线程对共享变量（实例域、静态域和数组元素存储在堆内存的）的写入何时对另一个线程可见。

2.重排序

在执行程序时为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序。

重排序遵循的规则：

  • 不改变有数据依赖性的两个操作的执行顺序
  • 重排序是为了优化性能，但是不管怎么重排序，单线程下程序的执⾏结果不能被改变。

重排序分三种类型：

  • 编译器优化重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
  • 指令级并行重排序。现代处理器采用了指令级并行技术(Instruction-LevelParallelism ，ILP)来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
  • 内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

上述的 1属于编译器重排序，2 和3属于处理器重排序。这些重排序都可能会导致多线程程序出现内存可见性问题。
解决方案：
对于编译器重排序：JMM 的编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排序(不是所有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，通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序(不是所有的处理器重排序都要禁止)。
JMM 属于语言级的内存模型，它确保在不同的编译器和不同的处理器平台之上通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.内存屏障

作用：java 编译器在生成指令序列时，插入特定类型的内存屏障指令，通过内存屏障指令禁止特定类型的处理器重排序来提供一致的内存可见性保证。内存屏障主要有三个功能：

  • 它确保指令重排序时不会把其后⾯的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前⾯的指令排到内存屏障的后面；即在执⾏到内存屏障这句指令时，在它前⾯的操作已经全部完成；
  • 它会强制将对缓存的修改操作⽴即写⼊主存；
  • 如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存⾏⽆效。

3.1四类内存屏障指令

屏障类型指令示例说明
LoadLoad BarriersLoad1; LoadLoad; Load2确保 Load1 数据的装载，之前于Load2 及所有后续装载指令的装载。
StoreStore BarriersStore1;StoreStore; Store2确保 Store1 数据对其他处理器可见(刷新到内存)，之前于Store2 及所有后续存储指令的存储。
LoadStore BarriersLoad1; LoadStore; Store2确保 Load1 数据的装载，之前于Store2 及所有后续的存储指令刷新到内存。
StoreLoad BarriersStore1;StoreLoad; Load2确保 Store1 数据对其他处理器变得可见(指刷新到内存)，之前于Load2 及所有后续装载指令的装载。StoreLoad Barriers 会使该屏障之前的所有内存访问指令(存储和装载指令)完成之后，才执行该屏障之后的内存访问指令。

StoreLoad Barriers 是一个“全能型”的屏障，它同时具有其他三个屏障的效果。现代的多处理器大都支持该屏障(其他类型的屏障不一定被所有处理器支持)。执行该屏障开销会很昂贵，因为当前处理器通常要把写缓冲区中的数据全部刷新到内存中( buffer fully flush )。

4.happens-before

happens-before描述了在多线程环境下操作执行的顺序和可见性。提供了一种规则，用于确保在一个线程中的操作对另一个线程是可见的，并定义了操作执行的相对顺序。在JMM 中，如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见，那么这两个操作之间必须要存在 happens-before 关系。这里提到的两个操作既可以是在一个线程之内，也可以是在不同线程之间。

4.1 规则

happens-before规则：

  • 程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens- before 于该线程中的任意后续操作。
  • 监视器锁规则：对一个监视器的解锁，happens- before 于随后对这个监视器的加锁。
  • 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：如果A happens- before B,且B happens-before c,那么A happens- before C.

注意，两个操作之间具有 happens-before 关系，并不意味着前一个操作必须要在后一个操作之前执行!happens-before 仅仅要求前一个操作(执行的结果)对后一个操作可见，且前一个操作按顺序排在第二个操作之前(the first is visible toand ordered before the second)。
happens-before 与JMM 的关系如下图所示
在这里插入图片描述
如上图所示，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程序员来说，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。

5.volatile

5.1特性

volatile 变量自身具有下列特性

  • 可见性。对一个 volatile 变量的读，总是能看到(任意线程)对这个 volatile变量最后的写入。
  • 原子性:对任意单个 volatile 变量的读/写具有原子性，但类似于 volatile++这种复合操作不具有原子性

volatile变量保证可见性，不保证原子性。

5.2规则

  • 当程序执⾏到volatile变量的读操作或者写操作时，在其前面的操作的更改肯定全部已经进⾏，且结果已经对后面的操作可⻅；在其后面的操作肯定还没有进⾏；
  • 在进⾏指令优化时，不能将对volatile变量访问的语句放在其后面执⾏，也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执⾏。

即执⾏到volatile变量时，其前面的所有语句都执⾏完，后面所有语句都未执⾏。且前面语句的结果对volatile变量及其后面语句可⻅。

5.3 内存语义

  • volatile读内存语义：当读一个 volatile 变量时，JMM 会把该线程对应的本地内存置为无效。线程接下来将从主内存中读取共享变量。
  • volatile 写的内存语义：当写一个 volatile 变量时，JMM 会把该线程对应的本地内存中的共享变量值刷新到主内存。

5.4 内存屏障插入策略

  • volatile读：
    1.在每个 volatile 读操作的后面插入一个 LoadLoad 屏障.
    2.在每个 volatile 读操作的后面插入一个 LoadStore 屏障,
  • volatile写：
    1.在每个 volatile 写操作的前面插入一个 StoreStore 屏障。
    2.在每个 volatile 写操作的后面插入一个 StoreLoad 屏障。

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