JMM | dslztx

一、内存模型

1.1、含义

内存模型描述的是“对于一个变量A，线程t1能够读取到线程t2对该变量的写入”的条件，即关于内存可见性（这里和后续如无特别说明，都指代“广义内存可见性”）的条件。比如“线程t1对一个volatile变量的写入，线程t2能否读取到”，“线程t1将一个final变量传递给线程t2，在t2中该变量对应的实例是否真的已经构造完成，而不存在由于重排序导致的构造未完成情形”。

有4点需要注意：

线程t1和t2可以是同一个线程
在有些场景中，不是“线程”，而是“协程”
有不同层级的内存模型，比如“处理器层级的内存模型”，“语言层级的内存模型”
“内存模型”主要围绕可见性问题（“可见性问题”和“有序性问题”等价），这是主要矛盾，其中所涉及到的“原子性问题”是次要矛盾，因此，JMM内容归属于“可见性与有序性”分类

1.2、理论参考模型——顺序一致性内存模型

顺序一致性内存模型是一个理想化的理论参考模型，它提供极强的内存可见性保证。

顺序一致性内存模型有两大特性：

一个线程中的所有操作必须按照程序的顺序来执行
（不管程序是否同步）所有线程都只能看到一个单一的操作执行顺序。因为，在顺序一致性内存模型中，每个操作都必须原子执行且立刻对所有线程可见

1.3、实际内存模型

根据顺序一致性内存模型的描述可知，顺序一致性内存模型与“重排序（这里和后续如无特别说明，都指代‘广义重排序’）”的冲突是显而易见的。
比如：

如果存在引入高速缓存-写缓冲器-失效队列机制导致的狭义可见性问题（属于“广义重排序”的一种），那么顺序一致性内存模型的第2点就不能满足
如果存在狭义重排序问题，那么顺序一致性内存模型的第1点就不能满足

而我们知道，当不允许重排序时，执行性能会变得很差。

因此，总结来说，顺序一致性内存模型具有的优缺点分别如下：

优点，易编程性好
缺点，执行性能差

实际内存模型往往通过损失“易编程性”来获得“执行性能的提升”，具体手段就是允许重排序，所允许的重排序类型越多，则“损失的易编程性越大，执行性能提升越多”。

以下图1给出了几个实际内存模型（包括几个“处理器层级内存模型”和几个“语言层级内存模型”）在“执行性能-易编程性”二维图中的相对位置。

图1

1.3.1、处理器层级实际内存模型

处理器层级实际内存模型根据所允许的重排序类型分为4种：TSO，PSO，RMO和PowerPC。如表1所示。

表1

内存模型类别	Store-Load重排序	Store-Store重排序	Load-Load和Load-Store重排序	可以更早读取到其他处理器的写（也是一种重排序）	可以更早读取到当前处理器的写（也是一种重排序）	具体处理器案例
TSO	Y				Y	SPARC-TSO，X86
PSO	Y	Y			Y	SPARC-PSO
RMO	Y	Y	Y		Y	IA64^[2]
PowerPC	Y	Y	Y	Y	Y	PowerPC^[3]

备注：

SPARC架构见[1]
两个PowerPC：一个是内存模型类别，一个是具体处理器案例

1.3.2、语言层级实际内存模型

比如有：

C++ 11的内存模型——C++ 11 MM
Java的内存模型——JMM
.Net的内存模型——CLR2.0 MM
Go的内存模型
Rust的内存模型

二、JMM

Java内存模型，英文全称为“Java Memory Model”，简称JMM。

在谈论JMM的时候，经常会涉及到JSR-133，这两者的关系是：JSR-133是一个定义JMM的规范，它增强改进了旧规范定义的JMM。

JMM有3大特性：

单线程程序。单线程程序的执行具有顺序一致性，即“程序的执行结果与该程序在顺序一致性内存模型中的执行结果相同”
正确同步的多线程程序。正确同步的多线程程序的执行具有顺序一致性，即“程序的执行结果与该程序在顺序一致性内存模型中的执行结果相同”
未同步/未正确同步的多线程程序。JMM为它们提供了最小安全性保障，即“线程执行时读取到的值，要么是之前某个线程写入的值，要么是默认值（0、null、false）”

为便于程序员编写正确同步的多线程程序，JMM设计了一整套规范，作了基础设施实现（主要使用“内存屏障”消除不需要的“重排序”），向程序员提供交付了“JMM内存抽象模型”，“相关语法关键词”，“happens-before规则”以及其他相关语义确保。

2.1、JMM内存抽象模型

JMM向程序员提供一个抽象的内存模型，向下屏蔽千差万别的具体硬件差异，具体如图2所示。

关于这个抽象内存模型有以下几点说明：

Java进程的内存主要分为“程序计数器，Java虚拟机栈，本地方法栈，Java堆，方法区，直接内存”，其中对于线程私有内存（程序计数器，Java虚拟机栈，本地方法栈）中的变量不会存在可见性问题，因此示意图中的主内存指代线程共享内存（Java堆，方法区，直接内存），且一般就是指“Java堆”
在视图中每个线程都有一个私有的本地内存，本地内存中存储了主内存中共享变量的副本。但其实本地内存只是JMM用来便于描述的一个抽象概念，它并不真实存在，而只是“缓存、写缓冲区、寄存器”等机制的代指

图2

2.2、相关语法关键词

相关实现提供的语法关键词有：

synchronized
volatile
final
…

需要注意的是，上述关键词的完整语法语义不只来自于JMM，也来自于其他的Java语言语法规范。

2.3、happens-before规则

详见《happens-before规则》。

2.4、其他相关语义确保

比如：

JMM不保证对long型和double型变量的简单读和写操作具有原子性；JMM保证对除了long型和double型之外的变量的简单读和写操作具有原子性
在构造方法中对final实例成员变量A赋值，在构造方法返回之前，被构造对象的实例对象引用不被其他线程所见，在构造方法返回后，通过该实例对象引用读取A，那么对于该读操作来说，“构造方法中对A的赋值确保内存可见，如果A是个引用变量，其指向实例对象P，那么构造方法之前所有对P的操作都确保内存可见”。详见[10]中“final关键词内存可见语义规则”小节
类的初始化（Class被加载之后，被线程使用之前）是线程安全的，具体是通过加锁实现的[9]

参考文献

[1]https://zh.wikipedia.org/wiki/SPARC
[2]https://baike.baidu.com/item/ia64
[3]https://zh.wikipedia.org/wiki/PowerPC
[4]https://tiancaiamao.gitbooks.io/go-internals/content/zh/10.1.html
[5]《Java并发编程的艺术》
[6]《JSR-133：Java内存^TM模型与线程规范》
[7]https://developer.ibm.com/zh/articles/j-jtp03304/
[8]https://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/jsr-133-faq.html
[9]《Java并发编程的艺术》P72
[10]《synchronized-volatile-final关键词》