JVM 深入理解(四)内存模型下

作者: 莫库施勒 | 来源:发表于2019-06-12 19:02 被阅读0次

volatile

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写的内存语义如下：

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刷新到主内存。

volatile读的内存语义如下：

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。

为了实现volatile的内存语义，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。

下面是在保守策略下，volatile读插入内存屏障后生成的指令序列示意图：

插入内存屏障后生成的指令序列示意图
上图中的StoreStore屏障可以保证在volatile写之前，其前面的所有普通写操作已经对任意处理器可见了。这是因为StoreStore屏障将保障上面所有的普通写在volatile写之前刷新到主内存。
后面的StoreLoad屏障的作用是避免volatile写与后面可能有的volatile读/写操作重排序。为了保证能正确实现volatile的内存语义，JMM在这里采取了保守策略：在每个volatile写的后面或在每个volatile读的前面插入一个StoreLoad屏障。从整体执行效率的角度考虑，JMM选择了在每个volatile写的后面插入一个StoreLoad屏障。

在实际执行时，只要不改变volatile写-读的内存语义，编译器可以根据具体情况省略不必要的屏障。下面我们通过具体的示例代码来说明：

class VolatileBarrierExample {
    int a;
    volatile int v1 = 1;
    volatile int v2 = 2;

    void readAndWrite() {
        int i = v1;           //第一个volatile读
        int j = v2;           // 第二个volatile读
        a = i + j;            //普通写
        v1 = i + 1;          // 第一个volatile写
        v2 = j * 2;          //第二个 volatile写
    }
    …                    //其他方法
}

针对readAndWrite()方法，编译器在生成字节码时可以做如下的优化：

优化后的屏障插入位置
注意，最后的StoreLoad屏障不能省略。因为第二个volatile写之后，方法立即return。此时编译器可能无法准确断定后面是否会有volatile读或写，为了安全起见，编译器常常会在这里插入一个StoreLoad屏障。

旧的Java内存模型允许volatile变量与普通变量之间重排序。为了提供一种比监视器锁更轻量级的线程之间通信的机制，JSR-133专家组决定增强volatile的内存语义：严格限制编译器和处理器对volatile变量与普通变量的重排序，确保volatile的写-读和监视器的释放-获取一样，具有相同的内存语义。

锁释放和获取的内存语义

当线程释放锁时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存中。以上面的MonitorExample程序为例，A线程释放锁后，共享数据的状态示意图如下：

锁释放后的状态
当线程获取锁时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。从而使得被监视器保护的临界区代码必须要从主内存中去读取共享变量。下面是锁获取的状态示意图：

获取锁时的状态
对比锁释放-获取的内存语义与volatile写-读的内存语义，可以看出：锁释放与volatile写有相同的内存语义；锁获取与volatile读有相同的内存语义。

借助ReentrantLock的源代码，来分析锁内存语义的具体实现机制。

class ReentrantLockExample {
    int a = 0;
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void writer() {
        lock.lock();         //获取锁
        try {
            a++;
        } finally {
            lock.unlock();  //释放锁
        }
    }

    public void reader () {
        lock.lock();        //获取锁
        try {
            int i = a;
        ……
        } finally {
            lock.unlock();  //释放锁
        }
    }
}

在ReentrantLock中，调用lock()方法获取锁；调用unlock()方法释放锁。

ReentrantLock的实现依赖于java同步器框架AbstractQueuedSynchronizer（AQS）。AQS使用一个整型的volatile变量（命名为state）来维护同步状态，马上我们会看到，这个volatile变量是ReentrantLock内存语义实现的关键。下面是ReentrantLock的类图：

ReentrantLock的类图

ReentrantLock分为公平锁和非公平锁，我们首先分析公平锁。

使用公平锁时，加锁方法lock()的方法调用轨迹如下：
ReentrantLock.lock() -> FairSync.lock() -> AbstractQueuedSynchronizer.acquire(int arg) -> ReentrantLock.tryAcquire(int acquires)

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();   //获取锁的开始，首先读volatile变量state
    if (c == 0) {
        if (isFirst(current) &&
            compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0)  
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

从上面源代码中我们可以看出，加锁方法首先读volatile变量state。

在使用公平锁时，解锁方法unlock()的方法调用轨迹如下：
ReentrantLock -> unlock() -> AbstractQueuedSynchronizer.release(int arg) -> Sync.tryRelease(int releases)

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    int c = getState() - releases;
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    setState(c);           //释放锁的最后，写volatile变量state
    return free;
}

从上面的源代码我们可以看出，在释放锁的最后写volatile变量state。

公平锁在释放锁的最后写volatile变量state；在获取锁时首先读这个volatile变量。根据volatile的happens-before规则，释放锁的线程在写volatile变量之前可见的共享变量，在获取锁的线程读取同一个volatile变量后将立即变的对获取锁的线程可见。

非公平锁的释放和公平锁完全一样，所以这里仅仅分析非公平锁的获取。

protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

该方法以原子操作的方式更新state变量，compareAndSet()就是通常所说的CAS。JDK文档对该方法的说明如下：如果当前状态值等于预期值，则以原子方式将同步状态设置为给定的更新值。此操作具有 volatile 读和写的内存语义。
之前提到过，编译器不会对volatile读与volatile读后面的任意内存操作重排序；也不会对volatile写与volatile写前面的任意内存操作重排序。组合这两个条件，意味着为了同时实现volatile读和volatile写的内存语义，编译器不能对CAS与CAS前面和后面的任意内存操作重排序。

现在对公平锁和非公平锁的内存语义做个总结：

公平锁和非公平锁释放时，最后都要写一个volatile变量state。
公平锁获取时，首先会去读这个volatile变量。
非公平锁获取时，首先会用CAS更新这个volatile变量,这个操作同时具有volatile读和volatile写的内存语义。

concurrent包的实现

把volatile变量的读/写和CAS可以实现线程之间的通信整合在一起，就形成了整个concurrent包得以实现的基石。如果我们仔细分析concurrent包的源代码实现，会发现一个通用化的实现模式：

首先，声明共享变量为volatile；
然后，使用CAS的原子条件更新来实现线程之间的同步；
同时，配合以volatile的读/写和CAS所具有的volatile读和写的内存语义来实现线程之间的通信。

final

与前面介绍的锁和volatile相比较，对final域的读和写更像是普通的变量访问。对于final域，编译器和处理器要遵守两个重排序规则：

在构造函数内对一个final域的写入，与随后把这个被构造对象的引用赋值给一个引用变量，这两个操作之间不能重排序。
初次读一个包含final域的对象的引用，与随后初次读这个final域，这两个操作之间不能重排序。

下面，我们通过一些示例性的代码来分别说明这两个规则：

public class FinalExample {
    int i;                            //普通变量
    final int j;                      //final变量
    static FinalExample obj;

    public void FinalExample () {     //构造函数
        i = 1;                        //写普通域
        j = 2;                        //写final域
    }

    public static void writer () {    //写线程A执行
        obj = new FinalExample ();
    }

    public static void reader () {       //读线程B执行
        FinalExample object = obj;       //读对象引用
        int a = object.i;                //读普通域
        int b = object.j;                //读final域
    }
}

这里假设一个线程A执行writer ()方法，随后另一个线程B执行reader ()方法。下面我们通过这两个线程的交互来说明这两个规则。

写final域的重排序规则
这个规则禁止把final域的写重排序到构造函数之外。这个规则的实现包含下面2个方面：
1. JMM禁止编译器把final域的写重排序到构造函数之外。
2. 编译器会在final域的写之后，构造函数return之前，插入一个StoreStore屏障。这个屏障禁止处理器把final域的写重排序到构造函数之外。
假设线程B读对象引用与读对象的成员域之间没有重排序，下图是一种可能的执行时序：

可能的执行时序
在上图中，写普通域的操作被编译器重排序到了构造函数之外，读线程B错误的读取了普通变量i初始化之前的值。而写final域的操作，被写final域的重排序规则“限定”在了构造函数之内，读线程B正确的读取了final变量初始化之后的值。
这是因为写final域的重排序规则可以确保：在对象引用为任意线程可见之前，对象的final域已经被正确初始化过了，而普通域不具有这个保障。
读final域的重排序规则
读final域的重排序规则如下：
在一个线程中，初次读对象引用与初次读该对象包含的final域，JMM禁止处理器重排序这两个操作（注意，这个规则仅仅针对处理器）。编译器会在读final域操作的前面插入一个LoadLoad屏障。

初次读对象引用与初次读该对象包含的final域，这两个操作之间存在间接依赖关系。由于编译器遵守间接依赖关系，因此编译器不会重排序这两个操作。

现在我们假设写线程A没有发生任何重排序，同时程序在不遵守间接依赖的处理器上执行，下面是一种可能的执行时序：

另一种可能的执行时序

在上图中，读对象的普通域的操作被处理器重排序到读对象引用之前。读普通域时，该域还没有被写线程A写入，这是一个错误的读取操作。而读final域的重排序规则会把读对象final域的操作“限定”在读对象引用之后，此时该final域已经被A线程初始化过了，这是一个正确的读取操作。
如果final域是引用类型

public class FinalReferenceExample {
    final int[] intArray;                     //final是引用类型
    static FinalReferenceExample obj;

    public FinalReferenceExample () {        //构造函数
        intArray = new int[1];              //1
        intArray[0] = 1;                   //2
    }

    public static void writerOne () {          //写线程A执行
        obj = new FinalReferenceExample ();  //3
    }

    public static void writerTwo () {          //写线程B执行
        obj.intArray[0] = 2;                 //4
    }

    public static void reader () {              //读线程C执行
        if (obj != null) {                    //5
            int temp1 = obj.intArray[0];       //6
        }
    }
}

对于引用类型，写final域的重排序规则对编译器和处理器增加了如下约束：

在构造函数内对一个final引用的对象的成员域的写入，与随后在构造函数外把这个被构造对象的引用赋值给一个引用变量，这两个操作之间不能重排序。

对上面的示例程序，我们假设首先线程A执行writerOne()方法，执行完后线程B执行writerTwo()方法，执行完后线程C执行reader ()方法。下面是一种可能的线程执行时序：

一种可能的时序

在上图中，1是对final域的写入，2是对这个final域引用的对象的成员域的写入，3是把被构造的对象的引用赋值给某个引用变量。这里除了前面提到的1不能和3重排序外，2和3也不能重排序。

也就是说一个final对象，其在构造函数中的操作一定是先于构造函数外的操作

final引用溢出
写final域的重排序规则可以确保：在引用变量为任意线程可见之前，该引用变量指向的对象的final域已经在构造函数中被正确初始化过了。其实要得到这个效果，还需要一个保证：在构造函数内部，不能让这个被构造对象的引用为其他线程可见，也就是对象引用不能在构造函数中“逸出”。

public class FinalReferenceEscapeExample {
    final int i;
    static FinalReferenceEscapeExample obj;

    public FinalReferenceEscapeExample () {
        i = 1;                              //1写final域
        obj = this;                          //2 this引用在此“逸出”
    }

    public static void writer() {
        new FinalReferenceEscapeExample ();
    }

    public static void reader {
        if (obj != null) {                     //3
            int temp = obj.i;                 //4
        }
    }
}

假设一个线程A执行writer()方法，另一个线程B执行reader()方法。这里的操作2使得对象还未完成构造前就为线程B可见。即使这里的操作2是构造函数的最后一步，且即使在程序中操作2排在操作1后面，执行read()方法的线程仍然可能无法看到final域被初始化后的值，因为这里的操作1和操作2之间可能被重排序。实际的执行时序可能如下图所示：

可能的顺序图

从上图我们可以看出：在构造函数返回前，被构造对象的引用不能为其他线程可见，因为此时的final域可能还没有被初始化。但是在构造函数返回后，任意线程都将保证能看到final域正确初始化之后的值。

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