Java 内存模型
Java内存模型规定了在多线程程序中,什么样的行为是允许出现的,什么样的行为是禁止出现的。这样说可能有点抽象,我们换一个角度。将程序行为抽象成读操作和写操作,每个线程有自己的局部变量,同时线程之间还存在共享变量。那么一个多线程程序执行结束后,所有变量会有一个最终值。Java内存模型来决定什么样的值合法,什么样的值不合法。
内存模型不能要求的太严格,这样会阻碍很多优化方法,降低程序执行的效率,但也不能要求的太松,因为这样会导致一些执行结果违反我们的直觉。例如指令间的重排序问题,如果线程内部的指令完全按照程序中指明的次序执行,并且每次执行一条指令,执行的结果立即生效,那么就会阻碍很多优化方法,但这样对程序员是有好处的,因为程序员很容易推断程序的执行结果,这样写出的程序就容易与自己的意图一致。这种内存模型被称为顺序一致性模型(Sequential Consistency)。反之,如果为了优化程序执行效率,重排序的可能性有很多,那么程序的效率是提高了,但对程序员来说,就很难推断程序的执行结果。这一类的内存模型被称为Relaxed
Memory Model。
这样,我们就遇到了一个两难的问题:
- 内存模型要求严格,那么程序效率低,但程序员容易写对
- 内存模型要求松,那么程序效率高,但程序员不容易写对
而程序的效率,与程序是否容易写对都很重要。为了解决这个问题,科学家提出了 Data Race Free 的概念,它是对多线程程序同步程度的一种描述,基本的思想是如果多线程程序进行了正确的同步,那么程序员就可以按照顺序一致性模型去推断程序的执行结果,而底层对内存操作的实现,可以按照 Relaxed Memory Model进行优化。
Java 内存模型包含了两方面的内容
- 对正确同步的多线程程序,保证其执行结果与在顺序内存模型下执行的结果一致
- 对没有正确同步要求的多线程程序,进行一定程度的限制,以保证安全性
其中第一方面是与 Data Race Free相关的,第二方面与后面介绍的 Causality Requirements 相关。
Data
Race Free
Java 内存模型其实定义了好几个概念来说明什么是正确的同步。
- 冲突访问(conflicting accesses)
如果存在多个线程,同时访问同一地址,并且至少有一个是写操作,那么这个程序存在冲突访问
- happen-before order
两个操作之间如果满足下面任意一个条件,就可以说这两个操作之间存在 happen-before order:
- 同一个线程内,在程序中有先后次序的操作
- 构造器的结尾的操作与 finalize 函数的开始的操作
- unlock 操作与所有同一把锁上的 lock操作
- volatile 变量的读操作与所有对它的写操作
- 对变量默认值的写操作与线程启动后的第一个操作
- 如果线程 T2 检测到线程 T1 终止执行,那么 T1 的最后一次操作与 T2任意操作
- 启动一个线程的操作与此线程内第一个操作
- 如果线程 T1 中断了线程 T2,那么此中断操作与其它任何看到 T2 被中断的操作之间。
其中有些我也不是很理解。。
- data race free
所有存在冲突访问的操作之间都有 happen-before order,那么此多线程程序满足 data race free
- 正确同步
假如多线程程序在顺序一致性模型下执行,如果它满足 data race free,那么此程序进行了正确的同步。
正确同步的多线程程序,其执行结果与在顺序一致性模型下的执行结果一致。仔细体会下概念之间的关系。有点绕。
另一方面,如果程序没有正确同步,执行结果也不是任意的,必须对其进行限制,但限制又不能太强,因为太强会阻碍优化。所以 Java 内存模型使用了 Causality Requirements 的概念。
Causality
Requirements
为了精确定义内存模型,Java语言规范中,提出了 Causality Requirements 的概念。不知道是什么原因,这个概念很少被提及,但是我觉得它是很重要的,但同时,也是非常令人费解的。语言规范中,首先定义了 Well-Formed Executions 的概念,现在对内存模型的很多讨论,都是在这一层,它包括了对多线程程序执行中,与锁,volatile变量,执行次序等等相关的规定。如果一个多线程程序的执行满足这些规定,那么这个执行就是 Well-Formed Executions 的。国内有一个系列文章《深入理解Java内存模型》,主要是在这方面描述Java内存模型。此外,在
Java 并发领域内著名的 Doug Lea 也给出了一个 The JSR-133 Cookbook for Compiler Writers,为编译器作者们提供参考,探讨的也是这方面的问题。但是,内存模型对多线程程序的执行是否合法,不仅仅要看它是否是
Well-Formed Executions,这次执行还需要满足 Causality Requirements。
语言规范中规定了一个构造过程,如果通过这个构造过程,可以构造出多线程程序最终的执行结果,那么这次执行就满足 Causality Requirements。构造过程从一个空集合C0开始,每次将其中添加若干操作,如果所有操作都能被添加,那么构造成功。即,
C0 -> C1 -> C2 -> ... -> C
其中 C_i 是 C_(i+1) 的子集。你可能注意到了,之前说的“操作能被添加”,什么叫操作能被添加呢?语言规范中规定了,每一个 Ci 都对应一个 Ei,所有 Ei 都要满足 Well-Formed Executions。也就是说,如果你添加了操作后,对应的 Ei 不满足 Well-Formed Executions,那么这个操作就不能被添加。如果最终,你的多线程程序无法构造出这样一个执行链,那么,它的执行结果是非法的。
另外,Java 内存模型最初论文作者维护了一个页面 The Java Memory Model,其中有一个条目叫 Causality
Test Cases,给出了一些小例子,以便人们明白哪些行为是满足 Causality Requirements 的,哪些是不满足的。此外,在 Java 并发领域内著名的 Doug Lea 也给出了一个 The
JSR-133 Cookbook for Compiler Writers,为编译器作者们提供参考。不过据说这份规范有些地方要求太严格了,开发者们还是根据Java语言规范和虚拟机规范来开发。
参考资料:Java 语言规范之内存模型