JVM 内存模型

@Yi-Xing 2021-02-09 0 评论 0 浏览

JVM

一、内存模型的性质

很多人将【java 内存结构】与【java 内存模型】傻傻分不清，【java 内存模型】是 Java Memory Model（JMM）的意思。简单的说，JMM 定义了一套在多线程读写共享数据时（成员变量、数组）时，对数据的可见性、有序性、和原子性的规则和保障。

1、原子性

问题提出，两个线程对初始值为 0 的静态变量一个做自增，一个做自减，各做 5000 次，结果是 0 吗？

public class F1 {

    static int i = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 50000; j++) {
                i++;
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 50000; j++) {
                i--;
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(i);
    }
}

以上的结果可能是正数、负数、零。为什么呢？因为 Java 中对静态变量的自增，自减并不是原子操作。

例如对于 i++ 而言（i 为静态变量），实际会产生如下的 JVM 字节码指令：

getstatic   i  // 获取静态变量 i 的值
iconst_1       // 准备常量 1
iadd           // 加法
putstatic   i  // 将修改后的值存入静态变量 i

而对应 i-- 也是类似：

getstatic   i  // 获取静态变量 i 的值
iconst_1       // 准备常量 1
isub           // 减法
putstatic   i  // 将修改后的值存入静态变量 i

而 Java 的内存模型如下，完成静态变量的自增，自减需要在主存和线程内存中进行数据交换：

如果是单线程以上 8 行字节码是顺序执行（不会交错）没有问题，但多线程下这 8 行代码可能交错运行，就会出现正数/负数的情况。

解决办法

原子性问题可通过 synchronized (同步关键字) 解决。 t1 和 t2 线程必须用 synchronized 锁住同一个 obj 对象，如果 t1 锁住的是 m1 对象，t2 锁住的是 m2 对象，没法起到同步的效果。

public class F1 {

    static int i = 0;
    static Object obj = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 50000; j++) {
                synchronized (obj) {
                    i++;
                }
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 50000; j++) {
                synchronized (obj) {
                    i--;
                }
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(i);
    }
}

2、可见性

退不出的循环：main 线程对 run 变量的修改对于 t 线程不可见，导致了 t 线程无法停止：

public class F1 {

    static boolean run = true;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            while (run) {
                // ...
            }
        });
        t.start();

        Thread.sleep(1000);
        // 线程 t 不会如预想的那样停下来
        run = false;
    }
}

为什么呢？分析一下：

1、初始状态，t 线程刚开始从主内存读取了 run 的值到工作内存。

2、因为 t 线程要频繁从主内存读取 run 的值，JIT 编译器会将 run 的值缓存至自己工作内存中高速缓存中，减少对主存中 run 的访问，提高效率。

3、1秒之后，main 线程修改了 run 的值，并同步至主存，而 t 是从自己工作内存中的高速缓存中读取这个变量的值，结果永远是旧值。

解决方法

使用 volatile 关键字，它可以用来修饰成员变量和静态成员变量，他可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值，必须到主存中获取它的值，线程操作 volatile 变量都是直接操作主存。

volatile static boolean run = true;

上例体现的实际就是可见性，它保证的是在多个线程之间，一个线程对 volatile 变量的修改对另一个线程可见，不能保证原子性，仅用在一个写线程，多个读线程的情况。

如果在前面示例的死循环中加入 System.out.println() 会发现即使不加 volatile 修饰符，线程 t 也能正确执行。

public class F1 {

    static boolean run = true;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            while (run) {
                System.out.println(0);
            }
        });
        t.start();

        Thread.sleep(1000);
        run = false;
    }
}

因为 println 方法中有 synchronized 语句块，synchronized 语句块既可以保证代码块的原子性，也同时保证当前线程内变量的可见性。但缺点是 synchronized 是属于重量级操作，性能相对更低。

3、有序性

public class TestJMM {

    int num = 0;
    boolean ready = false;

    // 线程 1 执行此方法
    public void actor1(I_Result r) {
        if (ready) {
            r.r1 = num + num;
        } else {
            r.r1 = 1;
        }
    }

    // 线程 2 执行此方法
    public void actor2(I_Result r) {
        num = 2;
        ready = true;
    }
}

I_Result 是一个对象，有一个属性 r1 用来保存结果，问：可能的结果有几种？

情况1：线程1 先执行，这时 ready = false，所以进入 else 分支结果为 1；
情况2：线程2 先执行 num = 2，但没来得及执行 ready = true，线程1 执行，还是进入 else 分支，结果为 1；
情况3：线程2 执行到 ready = true，线程1 执行，这回进入 if 分支，结果为 4（因为 num 已经执行过了）。

但还有一种情况结尾为 0，线程2 执行 ready = true，切换到线程1，进入 if 分支，相加为 0，再切回线程2 执行 num = 2 。

这种现象叫做指令重排，是 JIT 编译器在运行时的一些优化，这个现象需要通过大量测试才能复现，借助 java 并发压测工具 jcstress。Jcstress 全称 Java Concurrency Stress，是一种并发压力测试工具，可以帮助研究 Jvm、Java 类库和硬件中并发的正确性。

创建 maven 项目，添加一下依赖

<properties>
        <project.build.sourceEncoding>UTF-8</project.build.sourceEncoding>
        <jcstress.version>0.5</jcstress.version>
        <javac.target>1.8</javac.target>
        <uberjar.name>jcstress</uberjar.name>
    </properties>

    <dependencies>
        <dependency>
            <groupId>org.openjdk.jcstress</groupId>
            <artifactId>jcstress-core</artifactId>
            <version>${jcstress.version}</version>
        </dependency>
    </dependencies>
    <build>
        <plugins>
            <plugin>
                <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
                <artifactId>maven-compiler-plugin</artifactId>
                <version>3.1</version>
                <configuration>
                    <compilerVersion>${javac.target}</compilerVersion>
                    <source>${javac.target}</source>
                    <target>${javac.target}</target>
                </configuration>
            </plugin>

            <plugin>
                <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
                <artifactId>maven-shade-plugin</artifactId>
                <version>2.2</version>
                <executions>
                    <execution>
                        <id>main</id>
                        <phase>package</phase>
                        <goals>
                            <goal>shade</goal>
                        </goals>
                        <configuration>
                            <finalName>${uberjar.name}</finalName>
                            <transformers>
                                <transformer
                                        implementation="org.apache.maven.plugins.shade.resource.ManifestResourceTransformer">
                                    <mainClass>org.openjdk.jcstress.Main</mainClass>
                                </transformer>
                                <transformer
                                        implementation="org.apache.maven.plugins.shade.resource.AppendingTransformer">
                                    <resource>META-INF/TestList</resource>
                                </transformer>
                            </transformers>
                        </configuration>
                    </execution>
                </executions>
            </plugin>
        </plugins>
    </build>

提供如下测试类：

@JCStressTest
// 结果存储在 r1 中，当结果为 1 和 4 时，接收该结果
@Outcome(id = {"1", "4"}, expect = Expect.ACCEPTABLE, desc = "ok")
// 当结果为 1 时，接收该结果，我们对该结果感兴趣
@Outcome(id = "0", expect = Expect.ACCEPTABLE_INTERESTING, desc = "!!!!")
@State
public class ConcurrencyTest {

    int num = 0;
    boolean ready = false;

    @Actor
    // 线程 1 执行此方法
    public void actor1(I_Result r) {
        if (ready) {
            r.r1 = num + num;
        } else {
            r.r1 = 1;
        }
    }

    @Actor
    // 线程 2 执行此方法
    public void actor2(I_Result r) {
        num = 2;
        ready = true;
    }
}

对项目进行打包（maven clean inatall），并运行（java -jar target/jcstress.jar）。截取运行结果的部分内容：（可以发现出现了结果为 0 的情况）

*** INTERESTING tests
  Some interesting behaviors observed. This is for the plain curiosity.

  2 matching test results.
      [OK] jvm.ConcurrencyTest
	// 这个 jvm 参数表示关闭了分层编译
    (JVM args: [-XX:-TieredCompilation])
  Observed state   Occurrences              Expectation  Interpretation
               0         2,573   ACCEPTABLE_INTERESTING  !!!!
               1    57,318,570               ACCEPTABLE  ok
               4    36,543,178               ACCEPTABLE  ok

      [OK] jvm.ConcurrencyTest
    (JVM args: [])
  Observed state   Occurrences              Expectation  Interpretation
               0         1,060   ACCEPTABLE_INTERESTING  !!!!
               1    41,402,026               ACCEPTABLE  ok
               4    43,684,445               ACCEPTABLE  ok

解决办法

volatile 修饰的变量，可以禁用指令重排。

volatile boolean ready = false;

再次运行，就不会出现结果为 0 的情况了，提示：0 matching test results.

（1）有序性理解

同一个线程内，JVM 会在不影响正确性的前提下，调整语句的执行顺序，思考下面一段代码

static int i;
static int j;
 
// 在某个线程内执行如下赋值操作
i = ...; // 较为耗时的操作
j = ...;

可以看到，至于是先执行 i 还是先执行 j，对最终的结果不会产生影响。所以上面代码真正执行时，既可以是：

i = ...; // 较为耗时的操作
j = ...;

也可以是：

j = ...; 
i = ...; // 较为耗时的操作

这种特性称之为指令重排，多线程下指令重排会影响正确性，例如：著名 double-checked locking 模式实现单例：

public final class Demo {
    private Demo() {} // 构造方法私有

    private static Demo INSTANCE = null;

    public static Demo getInstance() {
        // 实例没创建，才会进入内部的 synchronized 代码块
        if (INSTANCE == null) {
            synchronized (Demo.class) {
                // 也许有其他线程已经创建实例，所以再判断一次
                if (INSTANCE == null) {
                    INSTANCE = new Demo();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }
}

以上的实现特点是：

懒惰实例化
首次使用 getInstance() 才使用 synchronized 加锁，后续使用时无需加锁

但在多线程环境下，上面的代码是有问题的，因为没有考虑指令重排问题。INSTANCE = new Singleton() 对应的字节码为：

17: new           #3  // class jvm/Demo
20: dup
21: invokespecial #4  // Method "<init>":()V
24: putstatic     #2  // Field INSTANCE:Ljvm/Demo;

其中 21 和 24 两步的顺序不是固定的，也许 JVM 会优化为：先将引用地址赋值给 INSTANCE 变量后，再执行构造方法，如果两个线程 t1，t2 按如下时间序列执行：

时间1：t1 线程执行到 INSTANCE = new Demo();
时间2：t1 线程分配空间，为 Demo 对象生成了引用地址（17处）；
时间3：t1 线程将引用地址赋值给 INSTANCE，这时 INSTANCE != null （24处）；
时间4：t2 线程进入 getInstance() 方法，发现 INSTANCE != null (synchronized 块外)，直接返回 INSTANCE；
时间5 t1 线程执行 Singleton 的构造方法（21处）。

这时 t1 还未完全将构造方法执行完毕，如果在构造方法中要执行很多初始化操作，那么 t2 拿到的是将是一个未初始化完毕的单例。

对 INSTANCE 使用 volatile 修饰即可，可以禁用指令重排，但要注意在 JDK 5 以上的版本的 volatile 才会真正有效。

volatile 只适用于一个写多个读，只能保障可见性和有序性（可以禁止指令重排），不能保障原子性；
synchronized 可以保障可见性和原子性，虽然也能够保证有序性，但是无法禁止指令重排和处理器优化的。

（2）happens - before

happens - before 规定了哪些写操作对其他线程的读操作可见，它是可见性与有序性的一套规则总结。抛开以下 happens-before 规则，JMM 并不能保证一个线程对共享变量的写，对于其它线程对该共享变量的读可见。（文中的变量都是指成员变量或静态成员变量）

线程解锁 m 之前对变量的写，对于接下来对 m 加锁的其它线程对该变量的读可见。

static int x;
static Object m = new Object();
 
new Thread(() -> {
    synchronized (m) {
        x = 10;
    }
}, "t1").start();
 
new Thread(() -> {
    synchronized (m) {
         System.out.println(x);
    }
}, "t2").start();

线程对 volatile 变量的写，对接下来其它线程对该变量的读可见。

volatile static int x;
 
new Thread(() -> {
    x = 10;
}, "t1").start();
 
new Thread(() -> {
    System.out.println(x);
}, "t2").start();

线程 start 前对变量的写，对该线程开始后对该变量的读可见。

static int x;
 
x = 10;
 
new Thread(() -> {
    System.out.println(x);
}, "t2").start();

线程结束前对变量的写，对其它线程得知它结束后的读可见（比如：其它线程调用 t1.isAlive() 或 t1.join() 等待它结束）。

static int x;
 
Thread t1 = new Thread(() -> {
    x = 10;
}, "t1");
t1.start();
 
t1.join();
System.out.println(x);

线程 t1 打断 t2（interrupt）前对变量的写，对于其他线程得知 t2 被打断后对变量的读可见（通过 t2.interrupted 或 t2.isInterrupted）；

static int x;
 
    public static void main(String[] args) {
        Thread t2 =  new Thread(() -> {
            while (true) {
                if (Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                    System.out.println(x);
                    break;
                }
            }
        }, "t2");
        t2.start();
 
        new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }
            x = 10;
            t2.interrupt();
        }, "t1").start();
 
        while (!t2.isInterrupted()) {
            Thread.yield();
        }
        System.out.println(x);
    }

对变量默认值（0, false, null）的写，对其它线程对该变量的读可见；
具有传递性，如果x hb -> y 并且 y hb -> z 那么有 x hb -> z。

二、CAS 与原子类

1、CAS

CAS 即 Compare and Swap，它体现的一种乐观锁的思想，比如：多个线程要对一个共享的整型变量执行 +1 操作。

// 需要不断尝试
        while (true) {
            int 旧值 = 共享变量; // 比如拿到了当前值 0
            int 结果 = 旧值 + 1; // 在旧值 0 的基础上增加1， 正确结果是 1
 
            /*
             这时候如果别的线程把共享变量改成了 5，本线程的正确结果 1 就作废了，这时候
             compareAndSwap 返回 false, 重新尝试，直到：
             compareAndSwap 返回 true, 表示我本线程做修改的同时，别的线程没有干扰
             */
            if (compareAndSwap(旧值, 结果)) {
                // 成功，退出循环
            }
        }

获取共享变量时，为了保证该变量的可见性，需要使用 volatile 修饰。结合 CAS 和 volatile 可以实现无锁并发，适用于竞争不激烈、多核 CPU 的场景下。

因为没有使用 synchronized，所以线程不会陷入阻塞，这是效率提升的因素之一；
但如果竞争激烈，可以想到重试必然频繁发生，消耗 CPU 运行，反而效率会受影响。

CAS 底层依赖于一个 Unsafe 类来直接调用操作系统底层的 CAS 指令，下面是直接使用 Unsafe 对象进行线程安全保护的一个例子。

public final class Demo {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        DataContainer dc = new DataContainer();
        int count = 50000;
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < count; i++) {
                dc.increase();
            }
        }, "input thread name");
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < count; i++) {
                dc.decrease();
            }
        }, "input thread name");
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println(dc.getData());
    }
}

class DataContainer {
    private volatile int data;
    static final Unsafe unsafe;
    // 通过 DATA_OFFSET 可以访问到 data
    static final long DATA_OFFSET;

    static {
        try {
            // Unsafe 对象不能直接调用，只能通过反射获得
            Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            theUnsafe.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
        } catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
            throw new Error(e);
        }

        try {
            // data 属性在 DataContainer 对象中的偏移量，用于 Unsafe 直接访问该属性
            // objectFieldOffset() 方法用于获取某个字段相对 Java 对象的“起始地址”的偏移量
            DATA_OFFSET = unsafe.objectFieldOffset(DataContainer.class.getDeclaredField("data"));
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            throw new Error(e);
        }
    }

    public void increase() {
        int oldValue;
        while (true) {
            // 获取共享变量旧值，可以在这一行加入断点，修改 data 调试来加深理解
            oldValue = data;
            // cas 尝试修改 data 为 旧值 + 1，如果期间旧值被别的线程改了，返回 false
            if (unsafe.compareAndSwapInt(this, DATA_OFFSET, oldValue, oldValue + 1)) {
                return;
            }
        }
    }

    public void decrease() {
        int oldValue;
        while (true) {
            oldValue = data;
            if (unsafe.compareAndSwapInt(this, DATA_OFFSET, oldValue, oldValue - 1)) {
                return;
            }
        }
    }

    public int getData() {
        return data;
    }
}

2、乐观锁与悲观锁

CAS 是基于乐观锁的思想：最乐观的估计，不怕别的线程来修改共享变量，就算改了也没关系，我吃亏点再重试呗。
synchronized 是基于悲观锁的思想：最悲观的估计，得防着其他线程来修改共享变量，我上了锁你们都别想改，我改完了解开锁，你们才有机会。

3、原子操作类

juc (java.util.concurrent) 中提供了原子操作类，可以提供线程安全的操作，例如：AtomicInteger、AtomicBoolean 等，它们底层就是采用 CAS 技术 + volatile 来实现的。

可以使用 AtomicInteger 改写之前的例子：一个线程自增、一个线程自减，通过原子类（cas+volatile）实现原子操作。

public final class Demo {

    // 创建原子整数对象
    private static AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 5000; j++) {
                i.getAndIncrement(); // 获取并且自增 i++
                // i.incrementAndGet(); // 自增并且获取 ++i
            }
        }, "t1");

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 5000; j++) {
                i.getAndDecrement(); // 获取并且自减 i--
            }
        }, "t2");

        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println(i);
    }
}

三、synchronized 优化

Java HotSpot 虚拟机中，每个对象都有对象头（包括 class 指针和 MarkWord）。MarkWord 平时存储这个对象的哈希码、分代年龄，当加锁时，这些信息就根据被替换为：标记位、线程锁记录指针、重量级锁指针、线程ID 等内容。如下图所示：

1、轻量级锁

如果一个对象虽然有多线程访问，但多线程访问的时间是错开的（也就是没有竞争），那么可以使用轻量级锁来优化，这就好比：

学生（线程A）用课本占座，上了半节课，出门了（CPU 时间到），回来一看，发现课本没变，说明没有竞争，继续上他的课。
如果这期间有其它学生（线程B）来了，会告知（线程A）有并发访问，线程A 随即升级为重量级锁，进入重量级锁的流程。
而重量级锁就不是那么课本占座那么简单了，可以想象线程A 走之前，把座位用一个铁栅栏围起来。

假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁：

static Object obj = new Object();
    public static void method1() {
        synchronized (obj) {
            // 同步块 A
            method2();
        }
    }
    public static void method2() {
        synchronized (obj) {
            // 同步块 B
        }
    }

每个线程的栈帧都会包含一个锁记录的结构，内部可以存储锁定对象的 MarkWord。

2、锁膨胀

如果在尝试轻量级锁的过程中，CAS 操作无法成功，这时一种情况就是有其它线程为此对象加上轻量级锁（有竞争），这时需要进行锁膨胀，将轻量级变为重量级锁。

static Object obj = new Object();
public static void method1() {
    synchronized(obj) {
        // 同步块
    }
}

3、重量锁

重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功（即这时候持锁线程已经退出了同步块，释放锁），这时当前线程就可以避免阻塞。

在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋，总之，比较智能。

自旋会占用 CPU 时间，单核 CPU 自旋就是浪费，多核 CPU 自旋才能发挥优势；
好比等红灯时汽车是不是熄火，不熄火相当于自旋（等待时间短了划算），熄火了相当于阻塞（等待时间长了划算）；
Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能。

自旋重试成功的情况

自旋重试失败的情况

4、偏向锁

轻量级锁在没有竞争时（就自己这个线程），每次重入仍然需要执行 CAS 操作。Java 6 中引入了偏向锁来做进一步优化；只有第一次使用 CAS 将线程 ID 设置到对象的 Mark Word 头，之后发现这个线程 ID 是自己的就表示没有竞争，不用重新 CAS。

撤销偏向需要将持锁线程升级为轻量级锁，这个过程中所有线程需要暂停（STW）；
访问对象的 hashCode 也会撤销偏向锁；
如果对象虽然被多个线程访问，但没有竞争，这时偏向了线程 T1 的对象仍有机会重新偏向 T2，重偏向会重置对象的 Thread ID；
撤销偏向和重偏向都是批量进行的，以类为单位；
如果撤销偏向到达某个阈值，整个类的所有对象都会变为不可偏向的；
可以主动使用 -XX:-UseBiasedLocking 禁用偏向锁（偏向锁是撤销是一个非常重量的操作）。

为什么频繁的偏向锁撤销会导致 STW 时间增加呢？阅读偏向锁源码可以知道：偏向锁的撤销需要等待全局安全点（safe point），暂停持有偏向锁的线程，检查持有偏向锁的线程状态。首先遍历当前 JVM 的所有线程，如果能找到偏向线程，则说明偏向的线程还存活，此时检查线程是否在执行同步代码块中的代码，如果是，则升级为轻量级锁，进行 CAS 竞争锁。可以看出撤销偏向锁的时候会导致 stop the word。

假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁。


    static Object obj = new Object();
    public static void method1() {
        synchronized (obj) {
            // 同步块 A
            method2();
        }
    }
    public static void method2() {
        synchronized (obj) {
            // 同步块 B
        }
    }

5、其他优化

（1）减少上锁时间

同步代码块中尽量短。

（2）减少锁的粒度

将一个锁拆分为多个锁提高并发度，例如：

ConcurrentHashMap；
LongAdder 分为 base 和 cells 两部分。没有并发争用的时候或者是 cells 数组正在初始化的时候，会使用 CAS 来累加值到 base，有并发争用，会初始化 cells 数组，数组有多少个 cell，就允许有多少线程并行修改，最后将数组中每个 cell 累加，再加上 base 就是最终的值；
LinkedBlockingQueue 入队和出队使用不同的锁，相对于 LinkedBlockingArray 只有一个锁效率最高。

（3）锁粗化

多次循环进入同步块不如同步块内多次循环，另外 JVM 可能会做如下优化，把多次 append 的加锁操作粗化为一次（因为都是对同一个对象加锁，没必要重入多次）。

new StringBuffer().append("a").append("b").append("c");

（4）锁消除

JVM 会进行代码的逃逸分析，例如某个加锁对象是方法内局部变量，不会被其它线程所访问到，这时候就会被即时编译器忽略掉所有同步操作。

（5）读写分离

例如：CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteSet。

标题：JVM 内存模型
作者：Yi-Xing
地址：http://zyxwmj.top/articles/2021/02/09/1612862188692.html
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