02 Java内存模型:看Java如何解决可见性和有序性问题

上一期我们讲到在并发场景中,因可见性、原子性、有序性导致的问题常常会违背我们的直觉,从而成为并发编程的Bug之源。这三者在编程领域属于共性问题,所有的编程语言都会遇到,Java在诞生之初就支持多线程,自然也有针对这三者的技术方案,而且在编程语言领域处于领先地位。理解Java解决并发问题的解决方案,对于理解其他语言的解决方案有触类旁通的效果。

那我们就先来聊聊如何解决其中的可见性和有序性导致的问题,这也就引出来了今天的主角——Java内存模型

Java内存模型这个概念,在职场的很多面试中都会考核到,是一个热门的考点,也是一个人并发水平的具体体现。原因是当并发程序出问题时,需要一行一行地检查代码,这个时候,只有掌握Java内存模型,才能慧眼如炬地发现问题。

什么是Java内存模型?

你已经知道,导致可见性的原因是缓存,导致有序性的原因是编译优化,那解决可见性、有序性最直接的办法就是禁用缓存和编译优化,但是这样问题虽然解决了,我们程序的性能可就堪忧了。

合理的方案应该是按需禁用缓存以及编译优化。那么,如何做到“按需禁用”呢?对于并发程序,何时禁用缓存以及编译优化只有程序员知道,那所谓“按需禁用”其实就是指按照程序员的要求来禁用。所以,为了解决可见性和有序性问题,只需要提供给程序员按需禁用缓存和编译优化的方法即可。

Java内存模型是个很复杂的规范,可以从不同的视角来解读,站在我们这些程序员的视角,本质上可以理解为,Java内存模型规范了JVM如何提供按需禁用缓存和编译优化的方法。具体来说,这些方法包括 volatilesynchronizedfinal 三个关键字,以及六项 Happens-Before 规则,这也正是本期的重点内容。

使用volatile的困惑

volatile关键字并不是Java语言的特产,古老的C语言里也有,它最原始的意义就是禁用CPU缓存。

例如,我们声明一个volatile变量 volatile int x = 0,它表达的是:告诉编译器,对这个变量的读写,不能使用CPU缓存,必须从内存中读取或者写入。这个语义看上去相当明确,但是在实际使用的时候却会带来困惑。

例如下面的示例代码,假设线程A执行writer()方法,按照 volatile 语义,会把变量 “v=true” 写入内存;假设线程B执行reader()方法,同样按照 volatile 语义,线程B会从内存中读取变量v,如果线程B看到 “v == true” 时,那么线程B看到的变量x是多少呢?

直觉上看,应该是42,那实际应该是多少呢?这个要看Java的版本,如果在低于1.5版本上运行,x可能是42,也有可能是0;如果在1.5以上的版本上运行,x就是等于42。

// 以下代码来源于【参考1】
class VolatileExample {
  int x = 0;
  volatile boolean v = false;
  public void writer() {
    x = 42;
    v = true;
  }
  public void reader() {
    if (v == true) {
      // 这里x会是多少呢?
    }
  }
}

分析一下,为什么1.5以前的版本会出现x = 0的情况呢?我相信你一定想到了,变量x可能被CPU缓存而导致可见性问题。这个问题在1.5版本已经被圆满解决了。Java内存模型在1.5版本对volatile语义进行了增强。怎么增强的呢?答案是一项 Happens-Before 规则。

Happens-Before 规则

如何理解 Happens-Before 呢?如果望文生义(很多网文也都爱按字面意思翻译成“先行发生”),那就南辕北辙了,Happens-Before 并不是说前面一个操作发生在后续操作的前面,它真正要表达的是:前面一个操作的结果对后续操作是可见的。就像有心灵感应的两个人,虽然远隔千里,一个人心之所想,另一个人都看得到。Happens-Before 规则就是要保证线程之间的这种“心灵感应”。所以比较正式的说法是:Happens-Before 约束了编译器的优化行为,虽允许编译器优化,但是要求编译器优化后一定遵守 Happens-Before 规则。

Happens-Before 规则应该是Java内存模型里面最晦涩的内容了,和程序员相关的规则一共有如下六项,都是关于可见性的。

恰好前面示例代码涉及到这六项规则中的前三项,为便于你理解,我也会分析上面的示例代码,来看看规则1、2和3到底该如何理解。至于其他三项,我也会结合其他例子作以说明。

1. 程序的顺序性规则

这条规则是指在一个线程中,按照程序顺序,前面的操作 Happens-Before 于后续的任意操作。这还是比较容易理解的,比如刚才那段示例代码,按照程序的顺序,第6行代码 “x = 42;” Happens-Before 于第7行代码 “v = true;”,这就是规则1的内容,也比较符合单线程里面的思维:程序前面对某个变量的修改一定是对后续操作可见的。

(为方便你查看,我将那段示例代码在这儿再呈现一遍)

// 以下代码来源于【参考1】
class VolatileExample {
  int x = 0;
  volatile boolean v = false;
  public void writer() {
    x = 42;
    v = true;
  }
  public void reader() {
    if (v == true) {
      // 这里x会是多少呢?
    }
  }
}

2. volatile变量规则

这条规则是指对一个volatile变量的写操作, Happens-Before 于后续对这个volatile变量的读操作。

这个就有点费解了,对一个volatile变量的写操作相对于后续对这个volatile变量的读操作可见,这怎么看都是禁用缓存的意思啊,貌似和1.5版本以前的语义没有变化啊?如果单看这个规则,的确是这样,但是如果我们关联一下规则3,就有点不一样的感觉了。

3. 传递性

这条规则是指如果A Happens-Before B,且B Happens-Before C,那么A Happens-Before C。

我们将规则3的传递性应用到我们的例子中,会发生什么呢?可以看下面这幅图:

示例代码中的传递性规则

从图中,我们可以看到:

  1. “x=42” Happens-Before 写变量 “v=true” ,这是规则1的内容;
  2. 写变量“v=true” Happens-Before 读变量 “v=true”,这是规则2的内容 。

再根据这个传递性规则,我们得到结果:“x=42” Happens-Before 读变量“v=true”。这意味着什么呢?

如果线程B读到了“v=true”,那么线程A设置的“x=42”对线程B是可见的。也就是说,线程B能看到 “x == 42” ,有没有一种恍然大悟的感觉?这就是1.5版本对volatile语义的增强,这个增强意义重大,1.5版本的并发工具包(java.util.concurrent)就是靠volatile语义来搞定可见性的,这个在后面的内容中会详细介绍。

4. 管程中锁的规则

这条规则是指对一个锁的解锁 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁。

要理解这个规则,就首先要了解“管程指的是什么”。管程是一种通用的同步原语,在Java中指的就是synchronized,synchronized是Java里对管程的实现。

管程中的锁在Java里是隐式实现的,例如下面的代码,在进入同步块之前,会自动加锁,而在代码块执行完会自动释放锁,加锁以及释放锁都是编译器帮我们实现的。

synchronized (this) { //此处自动加锁
  // x是共享变量,初始值=10
  if (this.x < 12) {
    this.x = 12; 
  }  
} //此处自动解锁

所以结合规则4——管程中锁的规则,可以这样理解:假设x的初始值是10,线程A执行完代码块后x的值会变成12(执行完自动释放锁),线程B进入代码块时,能够看到线程A对x的写操作,也就是线程B能够看到x==12。这个也是符合我们直觉的,应该不难理解。

5. 线程 start() 规则

这条是关于线程启动的。它是指主线程A启动子线程B后,子线程B能够看到主线程在启动子线程B前的操作。

换句话说就是,如果线程A调用线程B的 start() 方法(即在线程A中启动线程B),那么该start()操作 Happens-Before 于线程B中的任意操作。具体可参考下面示例代码。

Thread B = new Thread(()->{
  // 主线程调用B.start()之前
  // 所有对共享变量的修改,此处皆可见
  // 此例中,var==77
});
// 此处对共享变量var修改
var = 77;
// 主线程启动子线程
B.start();

6. 线程 join() 规则

这条是关于线程等待的。它是指主线程A等待子线程B完成(主线程A通过调用子线程B的join()方法实现),当子线程B完成后(主线程A中join()方法返回),主线程能够看到子线程的操作。当然所谓的“看到”,指的是对共享变量的操作。

换句话说就是,如果在线程A中,调用线程B的 join() 并成功返回,那么线程B中的任意操作Happens-Before 于该 join() 操作的返回。具体可参考下面示例代码。

Thread B = new Thread(()->{
  // 此处对共享变量var修改
  var = 66;
});
// 例如此处对共享变量修改,
// 则这个修改结果对线程B可见
// 主线程启动子线程
B.start();
B.join()
// 子线程所有对共享变量的修改
// 在主线程调用B.join()之后皆可见
// 此例中,var==66

被我们忽视的final

前面我们讲volatile为的是禁用缓存以及编译优化,我们再从另外一个方面来看,有没有办法告诉编译器优化得更好一点呢?这个可以有,就是final关键字

final修饰变量时,初衷是告诉编译器:这个变量生而不变,可以可劲儿优化。Java编译器在1.5以前的版本的确优化得很努力,以至于都优化错了。

问题类似于上一期提到的利用双重检查方法创建单例,构造函数的错误重排导致线程可能看到final变量的值会变化。详细的案例可以参考这个文档

当然了,在1.5以后Java内存模型对final类型变量的重排进行了约束。现在只要我们提供正确构造函数没有“逸出”,就不会出问题了。

“逸出”有点抽象,我们还是举个例子吧,在下面例子中,在构造函数里面将this赋值给了全局变量global.obj,这就是“逸出”,线程通过global.obj读取x是有可能读到0的。因此我们一定要避免“逸出”。

// 以下代码来源于【参考1】
final int x;
// 错误的构造函数
public FinalFieldExample() { 
  x = 3;
  y = 4;
  // 此处就是讲this逸出,
  global.obj = this;
}

总结

Java的内存模型是并发编程领域的一次重要创新,之后C++、C#、Golang等高级语言都开始支持内存模型。Java内存模型里面,最晦涩的部分就是Happens-Before规则了,Happens-Before规则最初是在一篇叫做Time, Clocks, and the Ordering of Events in a Distributed System的论文中提出来的,在这篇论文中,Happens-Before的语义是一种因果关系。在现实世界里,如果A事件是导致B事件的起因,那么A事件一定是先于(Happens-Before)B事件发生的,这个就是Happens-Before语义的现实理解。

在Java语言里面,Happens-Before的语义本质上是一种可见性,A Happens-Before B 意味着A事件对B事件来说是可见的,无论A事件和B事件是否发生在同一个线程里。例如A事件发生在线程1上,B事件发生在线程2上,Happens-Before规则保证线程2上也能看到A事件的发生。

Java内存模型主要分为两部分,一部分面向你我这种编写并发程序的应用开发人员,另一部分是面向JVM的实现人员的,我们可以重点关注前者,也就是和编写并发程序相关的部分,这部分内容的核心就是Happens-Before规则。相信经过本章的介绍,你应该对这部分内容已经有了深入的认识。

课后思考

有一个共享变量 abc,在一个线程里设置了abc的值 abc=3,你思考一下,有哪些办法可以让其他线程能够看到abc==3

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参考

  1. JSR 133 (Java Memory Model) FAQ
  2. Java内存模型FAQ
  3. JSR-133: JavaTM Memory Model and Thread Specification