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JVM-JMM内存模型（happens-before、volatile）

news 2025/6/21 3:00:09

前言

由于计算机的存储设备与处理器的运算速度有几个数量级的差距所以现代计算机系统都不得不加入一层读写速度尽可能接近处理器运算速度的高速缓存(Cache)来作为内存与处理器之间的缓冲。

将运算需要使用到的数据复制到缓存中，让运算能快速进行，当运算结束后再从缓存同步回内存之中，这样处理器就无须等待缓慢的内存读写了。

高速缓存带来的问题：缓存一次性

基于高速缓存的存储交互很好地解决了处理器与内存的速度矛盾，但是也为计算机系统带来更高的复杂度，因为它引入了一个新的问题:缓存一致性(Cache Coherence)。

什么是缓存一致性

在多处理器系统中，每个处理器都有自己的高速缓存，而它们又共享同一主内存(MainMemory)。当多个处理器的运算任务都涉及同一块主内存区域时，将可能导致各自的缓存数据不一致，如果真的发生这种情况，那同步回到主内存时以谁的缓存数据为准呢?

为了解决一致性的问题，需要各个处理器访问缓存时都遵循一些协议，在读写时要根据协议来进行操作，这类协议有MSI、MESI(llinois Protocol)、MOSI、Symapse、Firefly及Dragon Protocol等。

JVM如何处理缓存一致性问题

JVM定义一套内存模型规范。

内存模型可以理解为在特定的操作协议下对特定的内存或高速缓存进行读写访问的过程抽象。不同架构的物理机器可以拥有不一样的内存模型，而Java虚拟机也有自己的内存模型。

CPU运算优化带来的问题：乱序执行优化

除了增加高速缓存之外，为了使得处理器内部的运算单元能尽量被充分利用，处理器可能会对输入代码进行乱序执行(Out-OfOrder Execution)优化，处理器会在计算之后将乱序执行的结果重组，保证该结果与顺序执行的结果是一致的，但并不保证程序中各个语句计算的先后顺序与输入代码中的顺序一致，因此，如果存在一个计算任务依赖另外一个计算任务的中间结果，那么其顺序性并不能靠代码的先后顺序来保证。

Java虚拟机的即时编译器中也有类似的指令重排序(Instruction Reorder )优化。

Java内存模型（JMM）

Java虚拟机规范中定义一种Java内存模型(Java Memory Model，JMM)来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。

JMM定义

Java内存模型的主要目标是定义程序中各个变量的访问规则，即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样的底层细节。此处的变量( Variables)与Java编程中所说的变量有所区别，它包括了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，但不包括局部变量与方法参数，因为后者是线程私有的，不会被共享，自然就不会存在竞争问题。为了获得较好的执行效能，Java内存模型并没有限制执行引擎使用处理器的特定寄存器或缓存来和主内存进行交互，也没有限制即时编译器进行调整代码执行顺序这类优化措施。

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存(Main Memory)中。每条线程还有自己的工作内存( Working Memory），线程的工作内存中保存了被该线程使用到的变量的主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作(读取、赋值等)都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成，线程、主内存、工作内存三者的交互关系如图下图所示。
在这里插入图片描述

主内存、工作内存与Java内存区域中的Java堆、栈、方法区等并不是同一个层次的内存划分，这两者基本上是没有关系的，如果两者一定要勉强对应起来，那从变量、主内存、工作内存的定义来看：
主内存主要对应于Java堆中的对象实例数据部分；
工作内存则对应于虚拟机栈中的部分区域。

主内存和工作内存间交互协议

关于主内存与工作内存之间具体的交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内、如何从工作内存同步回主内存之类的实现细节，Java内存模型中定义了8种操作来完成，虚拟机实现时必须保证下面提及的每一种操作都是原子的、不可再分的。

JMM的8种操作

Java内存模型中定义8种操作：

lock( 锁定):作用于主内存的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态；
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):作用于主内存的变量，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操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中；
use(使用):作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值的字节码指令时将会执行这个操作；
assign( 赋值):作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作；
store(存储):作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传送到主内存以便随后的write操作使用；
write(写入):作用于主内存的变量，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。

JMM的8种操作需要满足的规则

Java内存模型还规定了在执行上述8基本操作时必须满足如下规则:

不允许read和load、store和write操作之一单独出现，即不允许一个变量从主内存读取了但工作内存不接受，或者从工作内存发起回写了但主内存不接受的情况出现。
不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存。
不允许一个线程无原因地(没有发生过任何assign操作)把数据从线程的工作内存同步回主内存中。
一个新的变量只能在主内存中“诞生”不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化(load或assign)的变量，换句话说，就是对一个变量实施use、store操作之前，必须先执行过了assign和load操作。
一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一条线程重复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。
如果对一个变量执行lock操作，那将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，需要重新执行load或assign操作初始化变量的值。
如果一个变量事先没有被lock操作锁定，那就不允许对它执行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定住的变量。
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)。

JMM的作用

Java内存模型是为了解决在并发环境下由于 CPU缓存、编译器和处理器的指令重排序 导致的可见性、有序性问题。

JMM的特征

线程工作时，是把变量从主内存读取到工作内存，然后执行对应的操作。如果是多线程对同一个变量就行操作呢？由此引发并发情况下变量可见性和原子性问题。

Java内存模型是围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这3个特征来建立。

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（除long和double的非原子性外）、引用类型变量、声明为volatile的任何类型变量的访问读写是具备原子性的。

long和double的非原子性协定：
对于64位的数据，如long和double，Java内存模型规范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这四个操作的原子性。
即如果有多个线程共享一个并未声明为volatile的long或double类型的变量，并且同时对它们进行读取和修改操作，那么某些线程可能会读取到一个既非原值，也不是其他线程修改值的代表了“半个变量”的数值。但由于目前各种平台下的商用虚拟机几乎都选择把64位数据的读写操作作为原子操作来对待，因此在编写代码时一般也不需要将用到的long和double变量专门声明为volatile）。

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。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。
final关键字的可见性是指:被final修饰的字段在构造器中且初始化完成，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。

有序性(Ordering)

Java内存模型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。

JMM并发编程的简化：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。

happens-before原则是非常重要，意在规定代码执行顺序，并发编程正常运行的基础，由JVM实现，简化并发编程的复杂性。

happens-before，从JDK 5 开始，JMM就使用happens-before的概念来阐述多线程之间的内存可见性。

happens-before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。

现在就来看看“先行发生”原则指的是什么。先行发生是Java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系。
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。

happens-before原则

happens-before原则定义如下：

如果一个操作happens-before另一个操作，那么第一个操作的执行结果将对第二个操作可见，而且第一个操作的执行顺序排在第二个操作之前。
两个操作之间存在happens-before关系，并不意味着一定要按照happens-before原则制定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果与按照happens-before关系来执行的结果一致，那么这种重排序并不非法。

happens-before原则规则

happens-before原则规则：

程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作；
一段代码在单线程中执行的结果是有序的。注意是执行结果，因为虚拟机、处理器会对指令进行重排序。虽然重排序了，但是并不会影响程序的执行结果，所以程序最终执行的结果与顺序执行的结果是一致的。故而这个规则只对单线程有效，在多线程环境下无法保证正确性。
锁定规则：一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作；
volatile变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作；
它标志着volatile保证了线程可见性。通俗点讲就是如果一个线程先去写一个volatile变量，然后一个线程去读这个变量，那么这个写操作一定是happens-before读操作的。
传递规则：如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生于操作C；
线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个一个动作；
假定线程A在执行过程中，通过执行ThreadB.start()来启动线程B，那么线程A对共享变量的修改在接下来线程B开始执行后确保对线程B可见。
线程中断规则：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；
线程终结规则：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行；
对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始；

JMM可见性、有效性实现：volatile关键词

关键字volatile可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制，但是它并不容易完全被正确、完整地理解，以至于许多程序员都习惯不去使用它，遇到需要处理多线程数据竞争问题的时候一律使用synchronized来进行同步。

了解volatile变量的语义对了解多线程操作的其他特性很有意义，vlatile的语义到底是什么？

Java内存模型对volatile专门定义了一些特殊的访问规则，在介绍这些比较口的规则定义之前，先用不那么正式但通俗易懂的语言来介绍一下这个关键字的作用。

当一个变量定义为volatile之后，它将具备两种特性：保证此变量对所有线程的可见性 和 禁止指令重排序优化。

volatile变量读操作的性能消耗与普通变量几乎没有什么差别，但是写操作则可能会慢一些，因为它需要在本地代码中插入许多内存屏障指令来保证处理器不发生乱序执行。

不过即便如此，大多数场景下volatile的总开销仍然要比锁低，我们在volatile与锁之中选择的唯一依据仅仅是volatile的语义能否满足使用场景的需求。

保证此变量对所有线程的可见性

保证此变量对所有线程的可见性，这里的“可见性”是指当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的。而普通变量不能做到这一点，普通变量的值在线程间传递均需要通过主内存来完成。

volatile变量在各个线程的工作内存中不存在一致性问题(在各个线程的工作内存中，volatile变量也可以存在不一致的情况，但由于每次使用之前都要先刷新，执行引擎看不到不一致的情况，因此可以认为不存在一致性问题)，但是Java里面的运算并非原子操作，导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的。下面代码演示下：

public class VolatileTest {private static final int MAX_THREAD_SIZE = 20;public static volatile int count = 0;public static void incrCount() {count++;}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(MAX_THREAD_SIZE);Runnable runnable = () -> {for (int i = 0; i < 10000; i++) {incrCount();}countDownLatch.countDown();};Thread[] threads = new Thread[MAX_THREAD_SIZE];for (int i = 0; i < MAX_THREAD_SIZE; i++) {threads[i] = new Thread(runnable);threads[i].setName("行程" + i);threads[i].start();}while (countDownLatch.getCount() > 0) {Thread.yield();System.out.println(count);}System.out.println("end!count="+count);}
}

上述代码启动20个线程，每个线程对count变量进行10000次自增操作，如果这段代码能够正确并发的话，最后应该输出200000。代码输出如下：

19928
42928
47312
#此处由于篇幅省略
...
121774
122263
122570
123196
end!count=124559

多次运行结果count都不等于200000，为什么呢？先看下javap反编译后的代码：

$ javap -c VolatileTest.class
Compiled from "VolatileTest.java"
public class javaBase.volatile0.VolatileTest {public static volatile int count;public javaBase.volatile0.VolatileTest();Code:0: aload_01: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V4: returnpublic static void incrCount();Code:0: getstatic     #2                  // Field count:I3: iconst_14: iadd5: putstatic     #2                  // Field count:I8: return#省略...
}

发现只有一行代码的incrCount( )方法在Cass文件中是由4条字节码指令构成的(return指令不是由count++产生的，这条指令可以不计算 )，从字节码层面上很容易就分析出并发失败的原因了:当getstatic指合把count的值取到操作栈顶时，volatile关键字保证了count的值在此时是正确的，但是在执行iconst 1iadd这些指合的时候，其他线程可能已经把count的值加大了，而在操作栈顶的值就变成了过期的数据，所以putstatic指令执行后就可能把较小的count值同步回主内存之中。

即使编译出来只有一条字节码指令，也并不意味执行这条指令就是一个原子操作。一条字节码指令在解释执行时，解释器将要运行许多行代码才能实现它的语义，如果是编译执行，一条字节码指令可能转化成若干条本地机器码指令，此处使用-XX:+PrintAssembly参数输出反汇编来分析会更加严谨一些。

由于volatile变量只能保证可见性，在不符合以下两条规则的运算场景中，我们仍然要通过加锁(使用synchronized或java.util.concurrent中的原子类)来保证原子性。

禁止指令重排序优化

从硬件架构上讲，指令重排序是指CPU采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相应电路单元处理。但并不是说指令任意重排，CPU需要能正确处理指令依赖情况以保障程序能得出正确的执行结果。

使用volatile变量的第二个语义是禁止指令重排序优化，普通的变量仅仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果，而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。因为在一个线程的方法执行过程中无法感知到这点，这也就是Java内存模型中描述的所谓的“线程内表现为串行的语义”( Within-Thread As-If-SerialSemantics)。

volatile关键词适用的编程环境

运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值。
变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束(例如适用volatile关键词修饰的变量判断线程是否被中断，是否继续允许)。

JMM原子性实现

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分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。

前言