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Java 内存模型 JMM

news 2025/7/5 2:00:52

Java 内存模型 JMM

1 硬件内存架构

JMM(Java Memory Model)
什么是 JMM？为什么需要 JMM？

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一个现代计算机通常由两个或者多个CPU。其中一些CPU还有多核。从这一点可以看出，在一个有两个或者多个CPU的现代计算机上同时运行多个线程是可能的。每个CPU在某一时刻运行一个线程是没有问题的。这意味着，如果你的Java程序是多线程的，在你的Java程序中每个CPU上一个线程可能同时（并发）执行。

每个CPU都包含一系列的寄存器，它们是CPU内存的基础。CPU在寄存器上执行操作的速度远大于在主存上执行的速度。这是因为CPU访问寄存器的速度远大于主存。

每个CPU可能还有一个CPU缓存层。实际上，绝大多数的现代CPU都有一定大小的缓存层。CPU访问缓存层的速度快于访问主存的速度，但通常比访问内部寄存器的速度还要慢一点。一些CPU还有多层缓存，但这些对理解Java内存模型如何和内存交互不是那么重要。只要知道CPU中可以有一个缓存层就可以了。

一个计算机还包含一个主存。所有的CPU都可以访问主存。主存通常比CPU中的缓存大得多。

通常情况下，当一个CPU需要读取主存时，它会将主存的部分读到CPU缓存中。它甚至可能将缓存中的部分内容读到它的内部寄存器中，然后在寄存器中执行操作。当CPU需要将结果写回到主存中去时，它会将内部寄存器的值刷新到缓存中，然后在某个时间点将值刷新回主存。

当CPU需要在缓存层存放一些东西的时候，存放在缓存中的内容通常会被刷新回主存。CPU缓存可以在某一时刻将数据局部写到它的内存中，和在某一时刻局部刷新它的内存。它不会再某一时刻读/写整个缓存。通常，在一个被称作“cache lines”的更小的内存块中缓存被更新。一个或者多个缓存行可能被读到缓存，一个或者多个缓存行可能再被刷新回主存。

2 Java 内存模型

Java虚拟机规范中试图定义一种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。在此之前，主流程序语言（如C/C++等）直接使用物理硬件在操作系统的内存模型，因此，会由于不同平台上内存模型的差异，有可能导致程序在一套平台上并发完全正常，而在另外一套平台上并发访问却经常出错，因此在某些场景就必须针对不同的平台来编写程序。

定义Java操作模型并非一件容易的事情，这个模型必须定义得足够严谨，才能让Java的并发内存访问操作不会产生歧义；但是，也必须定义得足够宽松，使得虚拟机的实现有足够的自由空间去利用硬件的各种特性（寄存器，高速缓存和指令集中某些特有的指令）来获得更好的执行速度。经过长时间的验证和修补，在JDK1.5（实现了JSR-133）发布后，Java内存模型已经成熟和完善起来了。

3 主内存和工作内存

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（此处的主内存与介绍物理硬件时的主内存名字一样，两者也可以互相类比，但此处仅是虚拟机内存的一部分）。每条线程还有自己的工作内存（Working Memory，可与前面讲的处理器高速缓存类比），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，线程间变量值得传递均需要通过主内存来完成，线程、主内存、工作内存的交互关系如下图所示：

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这里所讲的主内存、工作内存与Java内存区域中的堆、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，而工作内存则对应于虚拟机栈中的部分区域。从更低层次上说，主内存就直接对应于物理硬件的内存，而为了获取更好的运行速度，虚拟机（甚至是硬件系统本身的优化措施）可能会让工作内存优先存储于寄存器和高速缓存中，因为程序运行时主要访问读写的是工作内存。

4 内存间交互操作

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存、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 以下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（对于double和long类型的变量来说，load、store、read和write操作在某些平台上允许有例外）

load(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，一遍随后的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得字节码指令时会执行这个操作。
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值给工作内存的变量，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中，一遍随后的write操作使用。
write(写入) ：作用于主内存，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。

如果要把一个变量从主内存复制到工作内存，那就要顺序执行read和load操作，如果要把变量从工作内存同步回主内存，就要顺序地执行store和write操作。注意，Java内存模型只要求上述两个操作按顺序执行，而没有保证是连续执行。也就是说，read与load之间、store与write之间是可插入其他指令的，如对主内存中的变量a、b进行访问时，一种可能出现顺序是read a、read b、load b、load a。除此之外，Java内存模型还规定了在执行上述8种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。
如果一个变量实现没有被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）。

这8中内存访问操作以及上述规则限定，在加上对volatile的一些特殊规定，就已经完全确定了Java程序中哪些内存访问操作在并发下是安全的。由于这种定义相当严谨但又十分烦琐，实践起来很麻烦，所以介绍这种定义的一个等效判断原则——————先行发生原则（happens-before），用来确定一个访问在并发环境下是否安全。

5 对于volatile型变量的特殊规则

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变量的语义对后面了解多线程操作的其他特性很有意义，在本节中我们将多花费一些时间去弄清楚volatile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，在介绍这些比较拗口的规则定义之前，笔者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，第一是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，例如，线程A修改一个普通变量的值，然后向主内存进行回写，另外一条线程B在线程A回写完成了之后再从主内存进行读取操作，新变量值才会对线程B可见。

关于volatile变量的可见性，经常会被开发人员误解，认为以下描述成立：“volatile变量对所有线程是立即可见的，对volatile变量所有的写操作都能立即反应到其他线程之中，换句话说，volatile变量在各个线程中是一致的，所以基于volatile变量的运算在并发下是安全的”。这句话的论据部分并没有错，但是其论据并不能得出“基于volatile变量的运算在并发下是安全的” 这个结论。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，但是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，我们可以通过一段简单的演示来说明原因。

/*** volatile 变量自增运算测试*/
public class VolatileTest {private static volatile int race = 0;public static void increate(){race++;}private static final int THREADS_COUNT = 20;public static void main(String[] args) {Thread[] threads = new Thread[THREADS_COUNT];for (int i = 0; i < THREADS_COUNT; i++) {threads[i] = new Thread(new Runnable() {public void run() {for (int i = 0; i < 10000; i++) {increate();}}});threads[i].start();}//等待所有累加线程都结束while ((Thread.activeCount() > 1))Thread.yield();System.out.println(race);}
}

这段代码发起了20个线程，每个线程对race变量进行10000次自增操作，如果这段代码能够正常并发的话，最后输出的结果应该是200000。读者运行完这段代码之后，并不会获得期望的结果，而且会发现每次运行程序，输出的结果都不一样，都是一个小于200000的数字，这是为什么呢？

问题就出现在自增运算“race++”之中，我们用Javap反编译这段代码后会得到如下代码清单，发现只有一行代码的 increase() 方法在Class文件中是有4条字节码指令构成的（return指令不是由race++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指令把race的值取到操作栈顶时，volatile关键字保证了race的值在此时是正确的，但是在执行iconst_1、iadd这些指令的时候，其他线程可能已经把race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race值同步回主内存之中。

public static void increase();Code:Stack=2,Locals=0,Args_size=00:  getstatic3: iconst_14: iadd5: putstatic8: return LineNumberTale:line 14: 0line 15: 8

由于volatile变量只能保证可见性，在不符合一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。

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。

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”。

6 原子性、可见性和有序性

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个特征来建立的，我们逐个来看一下哪些操作实现了这3个特性。

原子性（Atomicity）：由Java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，读者只要知道这件事情就可以了，无须太过在意这些几乎不会发生的例外情况）。

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代码中就是同步快———synchronized关键字，因此在synchronized块之间的操作也具备原子性。

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。volatile变量已经说明了。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。如下代码所示，变量i与j都具备可见性，他们无需同步就能被其他线程正确访问。

public static final int i;public final int j;static{i=0;//do something
}
{// 也可以选择在构造函数中初始化j=0;//do something
}

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的进入。

7 先行并发原则

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繁琐，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“先行并发”(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。

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。这句话不难理解，但它意味着什么呢？我们可以举个例子来说明一下，如下代码：

//以下操作在线程A中执行
i =1;//以下操作在线程B中执行
j=i;//以下操作在线程C中执行
i=2;

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需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。

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。
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。
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。
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。
线程终止规则（Thread Interruption 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。
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。
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）先行发生于他的 finalizer() 方法的开始。
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。