JMM

1. 什么是JMM?

JMM:(Java Memory Model 的缩写)JAVA 内存模型,是一个约定或者概念。

关于JMM的一些同步的约定:

  1. 线程解锁前,必须把共享变量立刻刷回主存。
  2. 线程加锁前,必须读取主存中的最新值到工作内存中。
  3. 加锁和解锁是同一把锁。

线程 工作内存主内存

2. 作用

缓存一致性协议,用于定义数据读写规则。 JMM定义了线程工作内存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,每个线程都有一个私有的本地内存(Local Memory)。

JMM规定了内存主要划分为主内存和工作内存两种。此处的主内存和工作内存跟JVM内存划分(堆、栈、方法区)是在不同的层次上进行的,如果非要对应起来,主内存对应的是Java堆中的对象实例部分,工作内存对应的是栈中的部分区域,从更底层的来说,主内存对应的是硬件的物理内存,工作内存对应的是寄存器和高速缓存。

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解决共享对象可见性问题:volatile或者synchronized 同步机制。

3. 内存交互操作

3.1. 八种操作

内存交互操作有8种,虚拟机实现必须保证每一个操作都是原子的,不可在分的(对于double和long类型的变量来说,load、store、read和write操作在某些平台上允许例外)

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  • lock(锁定):作用于主内存的变量,把一个变量标识为线程独占状态
  • unlock(解锁):作用于主内存的变量,它把一个处于锁定状态的变量释放出来,释放后的变量才可以被其他线程锁定
  • read(读取):作用于主内存变量,它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中,以便随后的load动作使用
  • load(载入):作用于工作内存的变量,它把read操作从主存中变量放入工作内存中
  • use(使用):作用于工作内存中的变量,它把工作内存中的变量传输给执行引擎,每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值,就会使用到这个指令
  • assign(赋值):作用于工作内存中的变量,它把一个从执行引擎中接受到的值放入工作内存的变量副本中
  • store(存储):作用于主内存中的变量,它把一个从工作内存中一个变量的值传送到主内存中,以便后续的write使用
  • write(写入):作用于主内存中的变量,它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中
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JMM对这八种指令的使用,制定了如下规则:

  • 不允许read和load、store和write操作之一单独出现。即使用了read必须load,使用了store必须write
  • 不允许线程丢弃他最近的assign操作,即工作变量的数据改变了之后,必须告知主存
  • 不允许一个线程将没有assign的数据从工作内存同步回主内存
  • 一个新的变量必须在主内存中诞生,不允许工作内存直接使用一个未被初始化的变量。就是对变量实施use、store操作之前,必须经过load和assign操作
  • 一个变量同一时间只有一个线程能对其进行lock。多次lock后,必须执行相同次数的unlock才能解锁
  • 如果对一个变量进行lock操作,会清空所有工作内存中此变量的值,在执行引擎使用这个变量前,必须重新load或assign操作初始化变量的值
  • 如果一个变量没有被lock,就不能对其进行unlock操作。也不能unlock一个被其他线程锁住的变量
  • 对一个变量进行unlock操作之前,必须把此变量同步回主内存

JMM对这八种操作规则和对volatile的一些特殊规则就能确定哪些操作是线程安全,哪些操作是线程不安全的了。但是这些规则实在复杂,很难在实践中直接分析。所以一般我们也不会通过上述规则进行分析。更多的时候,使用java的happen-before规则来进行分析。

happens-before原则:

Java内存模型中定义的两项操作之间的次序关系,如果说操作A先行发生于操作B,操作A产生的影响能被操作B观察到,“影响”包含了修改了内存中共享变量的值、发送了消息、调用了方法等。

下面是Java内存模型下一些”天然的“happens-before关系,这些happens-before关系无须任何同步器协助就已经存在,可以在编码中直接使用。如果两个操作之间的关系不在此列,并且无法从下列规则推导出来的话,它们就没有顺序性保障,虚拟机可以对它们进行随意地重排序。

  a.程序次序规则(Pragram Order Rule):在一个线程内,按照程序代码顺序,书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。准确地说应该是控制流顺序而不是程序代码顺序,因为要考虑分支、循环结构。

  b.管程锁定规则(Monitor Lock Rule):一个unlock操作先行发生于对同一个锁的lock操作的后面。lock先于unlock

  c.volatile变量规则(Volatile Variable Rule):对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读取操作。volatile变量写先于读。

  d.线程启动规则(Thread Start Rule):Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作。

  e.线程终于规则(Thread Termination Rule):线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测,我们可以通过Thread.join()方法结束,Thread.isAlive()的返回值等作段检测到线程已经终止执行。

  f.线程中断规则(Thread Interruption Rule):对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生,可以通过Thread.interrupted()方法检测是否有中断发生。中断先于中断检测

  g.对象终结规则(Finalizer Rule):一个对象初始化完成(构造方法执行完成)先行发生于它的finalize()方法的开始。

  f.传递性(Transitivity):如果操作A先行发生于操作B,操作B先行发生于操作C,那就可以得出操作A先行发生于操作C的结论。

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