摘要：線程之間的通信由內(nèi)存模型本文簡稱為控制，決定一個線程對共享變量的寫入何時對另一個線程可見。為了保證內(nèi)存可見性，編譯器在生成指令序列的適當(dāng)位置會插入內(nèi)存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序。

在并發(fā)編程中，我們需要處理兩個關(guān)鍵問題：線程之間如何通信及線程之間如何同步（這里的線程是指并發(fā)執(zhí)行的活動實體）。通信是指線程之間以何種機制來交換信息。在命令式編程中，線程之間的通信機制有兩種：共享內(nèi)存和消息傳遞。

在共享內(nèi)存的并發(fā)模型里，線程之間共享程序的公共狀態(tài)，線程之間通過寫-讀內(nèi)存中的公共狀態(tài)來隱式進行通信。在消息傳遞的并發(fā)模型里，線程之間沒有公共狀態(tài)，線程之間必須通過明確的發(fā)送消息來顯式進行通信。

同步是指程序用于控制不同線程之間操作發(fā)生相對順序的機制。在共享內(nèi)存并發(fā)模型里，同步是顯式進行的。程序員必須顯式指定某個方法或某段代碼需要在線程之間互斥執(zhí)行。在消息傳遞的并發(fā)模型里，由于消息的發(fā)送必須在消息的接收之前，因此同步是隱式進行的。

Java的并發(fā)采用的是共享內(nèi)存模型，Java線程之間的通信總是隱式進行，整個通信過程對程序員完全透明。如果編寫多線程程序的Java程序員不理解隱式進行的線程之間通信的工作機制，很可能會遇到各種奇怪的內(nèi)存可見性問題。

在java中，所有實例域、靜態(tài)域和數(shù)組元素存儲在堆內(nèi)存中，堆內(nèi)存在線程之間共享（本文使用“共享變量”這個術(shù)語代指實例域，靜態(tài)域和數(shù)組元素）。局部變量（Local variables），方法定義參數(shù)（java語言規(guī)范稱之為formal method parameters）和異常處理器參數(shù)（exception handler parameters）不會在線程之間共享，它們不會有內(nèi)存可見性問題，也不受內(nèi)存模型的影響。

Java線程之間的通信由Java內(nèi)存模型（本文簡稱為JMM）控制，JMM決定一個線程對共享變量的寫入何時對另一個線程可見。從抽象的角度來看，JMM定義了線程和主內(nèi)存之間的抽象關(guān)系：線程之間的共享變量存儲在主內(nèi)存（main memory）中，每個線程都有一個私有的本地內(nèi)存（local memory），本地內(nèi)存中存儲了該線程以讀/寫共享變量的副本。本地內(nèi)存是JMM的一個抽象概念，并不真實存在。它涵蓋了緩存，寫緩沖區(qū)，寄存器以及其他的硬件和編譯器優(yōu)化。Java內(nèi)存模型的抽象示意圖如下：

從上圖來看，線程A與線程B之間如要通信的話，必須要經(jīng)歷下面2個步驟：

首先，線程A把本地內(nèi)存A中更新過的共享變量刷新到主內(nèi)存中去。

然后，線程B到主內(nèi)存中去讀取線程A之前已更新過的共享變量。

下面通過示意圖來說明這兩個步驟：

如上圖所示，本地內(nèi)存A和B有主內(nèi)存中共享變量x的副本。假設(shè)初始時，這三個內(nèi)存中的x值都為0。線程A在執(zhí)行時，把更新后的x值（假設(shè)值為1）臨時存放在自己的本地內(nèi)存A中。當(dāng)線程A和線程B需要通信時，線程A首先會把自己本地內(nèi)存中修改后的x值刷新到主內(nèi)存中，此時主內(nèi)存中的x值變?yōu)榱?。隨后，線程B到主內(nèi)存中去讀取線程A更新后的x值，此時線程B的本地內(nèi)存的x值也變?yōu)榱?。

從整體來看，這兩個步驟實質(zhì)上是線程A在向線程B發(fā)送消息，而且這個通信過程必須要經(jīng)過主內(nèi)存。JMM通過控制主內(nèi)存與每個線程的本地內(nèi)存之間的交互，來為java程序員提供內(nèi)存可見性保證。

在執(zhí)行程序時為了提高性能，編譯器和處理器常常會對指令做重排序。重排序分三種類型：

編譯器優(yōu)化的重排序。編譯器在不改變單線程程序語義的前提下，可以重新安排語句的執(zhí)行順序。

指令級并行的重排序?，F(xiàn)代處理器采用了指令級并行技術(shù)（Instruction-Level Parallelism， ILP）來將多條指令重疊執(zhí)行。如果不存在數(shù)據(jù)依賴性，處理器可以改變語句對應(yīng)機器指令的執(zhí)行順序。

內(nèi)存系統(tǒng)的重排序。由于處理器使用緩存和讀/寫緩沖區(qū)，這使得加載和存儲操作看上去可能是在亂序執(zhí)行。

從java源代碼到最終實際執(zhí)行的指令序列，會分別經(jīng)歷下面三種重排序：

上述的1屬于編譯器重排序，2和3屬于處理器重排序。這些重排序都可能會導(dǎo)致多線程程序出現(xiàn)內(nèi)存可見性問題。對于編譯器，JMM的編譯器重排序規(guī)則會禁止特定類型的編譯器重排序（不是所有的編譯器重排序都要禁止）。對于處理器重排序，JMM的處理器重排序規(guī)則會要求java編譯器在生成指令序列時，插入特定類型的內(nèi)存屏障（memory barriers，intel稱之為memory fence）指令，通過內(nèi)存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序（不是所有的處理器重排序都要禁止）。

JMM屬于語言級的內(nèi)存模型，它確保在不同的編譯器和不同的處理器平臺之上，通過禁止特定類型的編譯器重排序和處理器重排序，為程序員提供一致的內(nèi)存可見性保證。

現(xiàn)代的處理器使用寫緩沖區(qū)來臨時保存向內(nèi)存寫入的數(shù)據(jù)。寫緩沖區(qū)可以保證指令流水線持續(xù)運行，它可以避免由于處理器停頓下來等待向內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的延遲。同時，通過以批處理的方式刷新寫緩沖區(qū)，以及合并寫緩沖區(qū)中對同一內(nèi)存地址的多次寫，可以減少對內(nèi)存總線的占用。雖然寫緩沖區(qū)有這么多好處，但每個處理器上的寫緩沖區(qū)，僅僅對它所在的處理器可見。這個特性會對內(nèi)存操作的執(zhí)行順序產(chǎn)生重要的影響：處理器對內(nèi)存的讀/寫操作的執(zhí)行順序，不一定與內(nèi)存實際發(fā)生的讀/寫操作順序一致！為了具體說明，請看下面示例：

Processor A

Processor B

a = 1; //A1
x = b; //A2

b = 2; //B1
y = a; //B2

初始狀態(tài)：a = b = 0
處理器允許執(zhí)行后得到結(jié)果：x = y = 0

假設(shè)處理器A和處理器B按程序的順序并行執(zhí)行內(nèi)存訪問，最終卻可能得到x = y = 0的結(jié)果。具體的原因如下圖所示：

這里處理器A和處理器B可以同時把共享變量寫入自己的寫緩沖區(qū)（A1，B1），然后從內(nèi)存中讀取另一個共享變量（A2，B2），最后才把自己寫緩存區(qū)中保存的臟數(shù)據(jù)刷新到內(nèi)存中（A3，B3）。當(dāng)以這種時序執(zhí)行時，程序就可以得到x = y = 0的結(jié)果。

從內(nèi)存操作實際發(fā)生的順序來看，直到處理器A執(zhí)行A3來刷新自己的寫緩存區(qū)，寫操作A1才算真正執(zhí)行了。雖然處理器A執(zhí)行內(nèi)存操作的順序為：A1->A2，但內(nèi)存操作實際發(fā)生的順序卻是：A2->A1。此時，處理器A的內(nèi)存操作順序被重排序了（處理器B的情況和處理器A一樣，這里就不贅述了）。

這里的關(guān)鍵是，由于寫緩沖區(qū)僅對自己的處理器可見，它會導(dǎo)致處理器執(zhí)行內(nèi)存操作的順序可能會與內(nèi)存實際的操作執(zhí)行順序不一致。由于現(xiàn)代的處理器都會使用寫緩沖區(qū)，因此現(xiàn)代的處理器都會允許對寫-讀操作重排序。

下面是常見處理器允許的重排序類型的列表：

上表單元格中的“N”表示處理器不允許兩個操作重排序，“Y”表示允許重排序。

從上表我們可以看出：常見的處理器都允許Store-Load重排序；常見的處理器都不允許對存在數(shù)據(jù)依賴的操作做重排序。sparc-TSO和x86擁有相對較強的處理器內(nèi)存模型，它們僅允許對寫-讀操作做重排序（因為它們都使用了寫緩沖區(qū)）。

※注1：sparc-TSO是指以TSO(Total Store Order)內(nèi)存模型運行時，sparc處理器的特性。
※注2：上表中的x86包括x64及AMD64。
※注3：由于ARM處理器的內(nèi)存模型與PowerPC處理器的內(nèi)存模型非常類似，本文將忽略它。
※注4：數(shù)據(jù)依賴性后文會專門說明。

為了保證內(nèi)存可見性，java編譯器在生成指令序列的適當(dāng)位置會插入內(nèi)存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序。JMM把內(nèi)存屏障指令分為下列四類：

| LoadLoad Barriers | Load1; LoadLoad; Load2 |確保Load1數(shù)據(jù)的裝載，之前于Load2及所有后續(xù)裝載指令的裝載。|
| StoreStore Barriers | Store1; StoreStore; Store2 |確保Store1數(shù)據(jù)對其他處理器可見（刷新到內(nèi)存），之前于Store2及所有后續(xù)存儲指令的存儲。|
| LoadStore Barriers | Load1; LoadStore; Store2 |確保Load1數(shù)據(jù)裝載，之前于Store2及所有后續(xù)的存儲指令刷新到內(nèi)存。|
| StoreLoad Barriers | Store1; StoreLoad; Load2 |確保Store1數(shù)據(jù)對其他處理器變得可見（指刷新到內(nèi)存），之前于Load2及所有后續(xù)裝載指令的裝載。StoreLoad Barriers會使該屏障之前的所有內(nèi)存訪問指令（存儲和裝載指令）完成之后，才執(zhí)行該屏障之后的內(nèi)存訪問指令。|

StoreLoad Barriers是一個“全能型”的屏障，它同時具有其他三個屏障的效果?，F(xiàn)代的多處理器大都支持該屏障（其他類型的屏障不一定被所有處理器支持）。執(zhí)行該屏障開銷會很昂貴，因為當(dāng)前處理器通常要把寫緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)全部刷新到內(nèi)存中（buffer fully flush）。

從JDK5開始，java使用新的JSR -133內(nèi)存模型（本文除非特別說明，針對的都是JSR- 133內(nèi)存模型）。JSR-133使用happens-before的概念來闡述操作之間的內(nèi)存可見性。在JMM中，如果一個操作執(zhí)行的結(jié)果需要對另一個操作可見，那么這兩個操作之間必須要存在happens-before關(guān)系。這里提到的兩個操作既可以是在一個線程之內(nèi)，也可以是在不同線程之間。

與程序員密切相關(guān)的happens-before規(guī)則如下：

程序順序規(guī)則：一個線程中的每個操作，happens- before 于該線程中的任意后續(xù)操作。

監(jiān)視器鎖規(guī)則：對一個監(jiān)視器鎖的解鎖，happens- before 于隨后對這個監(jiān)視器鎖的加鎖。

volatile變量規(guī)則：對一個volatile域的寫，happens- before 于任意后續(xù)對這個volatile域的讀。

傳遞性：如果A happens- before B，且B happens- before C，那么A happens- before C。

注意，兩個操作之間具有happens-before關(guān)系，并不意味著前一個操作必須要在后一個操作之前執(zhí)行！happens-before僅僅要求前一個操作（執(zhí)行的結(jié)果）對后一個操作可見，且前一個操作按順序排在第二個操作之前（the first is visible to and ordered before the second）。happens- before的定義很微妙，后文會具體說明happens-before為什么要這么定義。

happens-before與JMM的關(guān)系如下圖所示：

如上圖所示，一個happens-before規(guī)則通常對應(yīng)于多個編譯器和處理器重排序規(guī)則。對于java程序員來說，happens-before規(guī)則簡單易懂，它避免java程序員為了理解JMM提供的內(nèi)存可見性保證而去學(xué)習(xí)復(fù)雜的重排序規(guī)則以及這些規(guī)則的具體實現(xiàn)。

Programming Language Pragmatics, Third Edition

The Java Language Specification, Third Edition

JSR-133: Java Memory Model and Thread Specification

Java theory and practice: Fixing the Java Memory Model, Part 2

Understanding POWER Multiprocessors

Concurrent Programming on Windows

The Art of Multiprocessor Programming

Intel? 64 and IA-32 ArchitecturesvSoftware Developer’s Manual Volume 3A: System Programming Guide, Part 1

The JSR-133 Cookbook for Compiler Writers

程曉明，Java軟件工程師，系統(tǒng)分析師、信息項目管理師。專注于并發(fā)編程。個人郵箱：asst2003@163.com。

請看下篇 深入理解Java內(nèi)存模型（二）——重排序

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