JVM内存模型之深究模型特征

起笔

“人生当自强,人的一生,总会遇见挫折磨难,但人生没有过不去的坎,走过了,便是一种收获,便会让自己成长起来”

参考书籍：“深入理解Java虚拟机”

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Double与Long变量的特殊规则

Java内存模型要求lock、unlock、read、load、assign、use、store、write这8个操作都具有原子性，但是对于64位的数据类型(long和double)，在模型中特别定义了一条相对宽松的 规定:允许虚拟机将没有被volatile修饰的64位数据的读写操作划分为两次32位的操作来进行，即允许虚拟机实现选择可以不保证64位数据类型的load、store、read和write这4个操作的原子性，这点就是所谓的long和double的非原子性协定(Nonatomic Treatment ofdouble and long Variables)

–这里思考为什么64位的数据类型就可以不用保证其原子性，从操作系统和机组的方面去思考一下，你会有新的收获。

原子性、可见性与有序性

第一篇内存模型的文章中我提到这三种特性但没有细说，此章节主要来讲解，Java内存模型在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性：

原子性（Atomicity）

由Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、load、 assign、use、store和write，我们大致可以认为基本数据类型的访问读写是具备原子性的(例外就是long和double的非原子性协定)如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证(经常会遇到)，Java内存模型还提供了 lock和unlock操作来满足这种需求，尽管虚拟机未把lock和unlock操作直接开放给用户使用， 但是却提供了更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐式地使用这两个操作，这两个字节码指令反映到Java代码中就是同步块——synchronized关键字，因此在synchronized块之间的操作也具备原子性

public class Demo1 {
    
    public static void main(String[] args) {
    
        synchronized (Demo1.class){
    
            System.out.println("我被锁住了ing...");
        }
    }
}

 public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: ldc           #2                  // class com/disaster/synchronize/Demo1
       2: dup
       3: astore_1
       4: monitorenter
       5: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       8: ldc           #4                  // String 我被锁住了ing...
      10: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
      13: aload_1
      14: monitorexit
      15: goto          23
      18: astore_2
      19: aload_1
      20: monitorexit
      21: aload_2
      22: athrow
      23: return
    Exception table:
       from    to  target type
           5    15    18   any
          18    21    18   any
}

可见性（Visibility）

可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即得知这个修改。上文在讲解volatile变量的时候我们已详细讨论过这一点。Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存作 为传递媒介的方式来实现可见性的，无论是普通变量还是volatile变量都是如此，普通变量与 volatile变量的区别是，volatile的特殊规则保证了新值能立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新。因此，可以说volatile保证了多线程操作时变量的可见性，而普通变量则不能保证这一点

除了volatile之外，Java还有两个关键字能实现可见性，即synchronized和final。同步块的可见性是由“对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中(执行store、 write操作)”这条规则获得的，而final关键字的可见性是指:被final修饰的字段在构造器中一旦初始化完成，并且构造器没有把“this”的引用传递出去(this引用逃逸是一件很危险的事情，其他线程有可能通过这个引用访问到“初始化了一半”的对象)，那在其他线程中就能看见final字段的值。如下代码，变量i与j都具备可见性，它们无须同步就能被其他线程正确访问

final修饰的变量是不可变的，所谓的不可变就是它的值只要赋值之后就永远都是那个值，所以我们只要保证在它赋值的过程是线程安全的，那么就可以保证在赋值之后的变量可见性，在多线程下这个final修饰的变量的值不会变，不管什么时候、哪个线程、工作内存中还是主内存中读到的值是一致的。

public class Demo1 {
    
    private final Integer i;
    private static final Integer j;

    static {
    
        j = 1;
    }

    public Demo1(Integer i) {
    
        this.i = i;
    }
}

有序性（Ordering）

Java内存模型的有序性在前面讲解volatile时也详细地讨论过 了，Java程序中天然的有序性可以总结为一句话:如果在本线程内观察，所有的操作都是有 序的;如果在一个线程中观察另一个线程，所有的操作都是无序的。前半句是指“线程内表 现为串行的语义”(Within-Thread As-If-Serial Semantics)，后半句是指“指令重排序”现象 和“工作内存与主内存同步延迟”现象

Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性，volatile 关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义，而synchronized则是由“一个变量在同一个时刻 只允许一条线程对其进行lock操作”这条规则获得的，这条规则决定了持有同一个锁的两个同 步块只能串行地进入

讲解完这三种特性，再用一种通俗一点的语言进行一个总结：

1. 原子性：保证指令不会受到线程上下文切换的影响（线程切换时保证数据的一致）
2. 可见性：保证指令不会受 cpu 缓存的影响（由于CPU三级缓存导致的并发时变量的不可见）
3. 一致性：保证指令不会受 cpu 指令并行优化的影响（保证物理层面、软件层面的优化后的执行过程不受影响）

其实synchronized虽然不能禁止指令重排，但是它通过“一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作”这条规则能保证有序性，这条规则决定了持有同一个锁的两个同 步块只能串行地进入，也就是说被synchronized持有锁之后，只能有一个线程能访问到共享变量，因为此时的共享变量永远是在单线程下执行， 那么多线程下由于指令重排导致的安全问题就可以迎刃而解。

先行发生原则（Happens-Before）

如果Java内存模型中所有的有序性都仅仅靠volatile和synchronized来完成，那么有一些操 作将会变得很烦琐，但是我们在编写Java并发代码的时候并没有感觉到这一点，这是因为 Java语言中有一个“先行发生”(happens-before)的原则。这个原则非常重要，它是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据，依靠这个原则，我们可以通过几条规则一揽子地 解决并发环境下两个操作之间是否可能存在冲突的所有问题。

那么先行发生原则指的是什么呢？

先行发生是Java内存模型中定义的两项操作之间的顺序关系，如果说操作A先行发生于操作B，其实就是说在发生操作B之前，操作A产 生的影响能被操作B观察到，“影响”包括修改了内存中共享变量的值、发送了消息、调用了方法等。

举个例子说明：

import java.time.Instant;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class Demo1 {
    
    private static Integer i = null;
    private static Integer k = null;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    
        example1();
// example2();
    }

    public static void example1() {
    
        i = 1;
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(0);
        B worker1 = new B("B", latch);
        worker1.run();
    }

    public static void example2() throws InterruptedException {
    
        i = 1;
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);

        B b = new B("B", latch);
        A a = new A("C", latch);

        b.start();
        a.start();

        Thread.sleep(10);//simulation of some actual work

        System.out.println("-----------------------------------------------");
        System.out.println(" Now release the latch:");
        System.out.println("-----------------------------------------------");
        latch.countDown();
    }

    static class B extends Thread {
    

        private CountDownLatch latch;

        public B(String name, CountDownLatch latch) {
    
            this.latch = latch;
            setName(name);
        }

        @Override
        public void run() {
    
            try {
    
                System.out.printf("[ %s ] created, blocked by the latch...\n", getName());
                latch.await();
                System.out.printf("[ %s ] starts at: %s\n", getName(), Instant.now());
                Demo1.k =  Demo1.i;;
                System.out.println(Demo1.i);
            } catch (InterruptedException e) {
    
                // handle exception
            }
        }
    }

    static class A extends Thread {
    

        private CountDownLatch latch;

        public A(String name, CountDownLatch latch) {
    
            this.latch = latch;
            setName(name);
        }

        @Override
        public void run() {
    
            try {
    
                System.out.printf("[ %s ] created, blocked by the latch...\n", getName());
                latch.await();
                System.out.printf("[ %s ] starts at: %s\n", getName(), Instant.now());
                Demo1.i = 2;
            } catch (InterruptedException e) {
    
                // handle exception
            }
        }
    }
}

example1: 假设线程A(main线程中执行)中的操作“i=1”先行发生于线程B的操作“j=i”，那么可以确定在线程B的操作 执行后，变量j的值一定等于1，得出这个结论的依据有两个:一是根据先行发生原则，“i=1”的结果可以被观察到;二是线程C还没“登场”，线程A操作结束之后没有其他线程会修改变量i的值。

example2: 现在再来考虑线程C，我们依然保持线程A和线程B之间的先行发生关系，而线程C出现在线程A和线程B的操作之间，但是线程C与线程B没有先行发生关系，那j 的值会是多少呢?答案是不确定!1和2都有可能，因为线程C对变量i的影响可能会被线程B 观察到，也可能不会，这时候线程B就存在读取到过期数据的风险，不具备多线程安全性。

下面是Java内存模型下一些“天然的”先行发生关系，这些先行发生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，虚拟机可以对它们随意地进行重排序。

1. 程序次序规则(Program 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、循环等结构。
2. 管程锁定规则(Monitor Lock Rule):一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock 操作。这里必须强调的是同一个锁，而“后面”是指时间上的先后顺序。
3. 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 对这个变量的读操作，这里的“后面”同样是指时间上的先后顺序。
4. 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。
5. 线程终止规则(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()的返回值等手段检测到线程已经终止执行。
6. 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()方法检测到是否有 中断发生。
7. 对象终结规则(Finalizer Rule):一个对象的初始化完成(构造函数执行结束)先行发 生于它的finalize()方法的开始
8. 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

通过一个例子感受一下“时间上的先后顺序”与“先行发生”之间有什么不同

public class Demo2 {
    
    private Integer age;

    public Integer getAge() {
    
        return age;
    }

    public void setAge(Integer age) {
    
        this.age = age;
    }

    public static void main(String[] args) {
    
        Demo2 demo2 = new Demo2();
        new Thread(() -> {
    
            //do other things
            demo2.setAge(1);
        }, "A").start();
        new Thread(() -> {
    
            //do other things
            System.out.println(demo2.getAge());
        }, "B").start();
    }
}

假设存在线程A和B，线程 A先(时间上的先后)调用了“setValue(1)”，然后线程B调用了同一个对象的“getValue()”，那么线程B收到的返回值是什么?

我们依次分析一下先行发生原则中的各项规则，由于两个方法分别由线程A和线程B调用不在一个线程中，所以程序次序规则在这里不适用;由于没有同步块，自然就不会发生 lock和unlock操作，所以管程锁定规则不适用;由于value变量没有被volatile关键字修饰，所 以volatile变量规则不适用;后面的线程启动、终止、中断规则和对象终结规则也和这里完全没有关系。因为没有一个适用的先行发生规则，所以最后一条传递性也无从谈起，因此我们可以判定尽管线程A在操作时间上先于线程B，但是无法确定线程B中“getValue()”方法的返回结果，换句话说，这里面的操作不是线程安全的.

其实可以简单的理解成，尽管A线程是先与B线程start的（在时间的顺序上）但并不代表demo2.setAge(1);代码会先于B线程中System.out.println(demo2.getAge());代码执行，因为在现实场景中有很多中情况导致在执行demo2.setAge(1);和System.out.println(demo2.getAge());的执行顺序的不同，所以才有B线程中的操作不是线程安全一说。

那怎么修复这个问题呢?我们至少有两种比较简单的方案可以选择:要么把getter/setter 方法都定义为synchronized方法，这样就可以套用管程锁定规则;要么把value定义为volatile 变量，由于setter方法对value的修改不依赖value的原值，满足volatile关键字使用场景，这样就可以套用volatile变量规则来实现先行发生关系。

通过上面的例子，我们可以得出结论:一个操作“时间上的先发生”不代表这个操作会是“先行发生”，那如果一个操作“先行发生”是否就能推导出这个操作必定是“时间上的先发生”呢?

很遗憾，这个推论也是不成立的，一个典型的例子就是多次提到的“指令重排序”

public class Demo3 {
    
    public static void main(String[] args) {
    
        int i = 1;
        int j = 2;
    }
}

根据程序次序规则，“int i=1”的操作 先行发生于“int j=2”，但是“int j=2”的代码完全可能先被处理器执行，这并不影响先行发生原则的正确性，因为我们在这条线程之中没有办法感知到这点.

根据上述所说的，我们不难得出结论：时间先后顺序与先行发生原则之间基本没有太大的关系，所以我们衡量并发安全问题的时候不要受到时间顺序的干扰，一切必须以先行发生原则为准。