輕鬆學JVM（二）——內存模型、可見性、指令重排序

知識 08-14

上一篇我們介紹了JVM的基本運行流程以及內存結構，對JVM有了初步的認識，這篇文章我們將根據JVM的內存模型探索java當中變數的可見性以及不同的java指令在並發時可能發生的指令重排序的情況。

內存模型

首先我們思考一下一個java線程要向另外一個線程進行通信，應該怎麼做，我們再把需求明確一點，一個java線程對一個變數的更新怎麼通知到另外一個線程呢？我們知道java當中的實例對象、數組元素都放在java堆中，java堆是線程共享的。（我們這裡把java堆稱為主內存），而每一個線程都是自己私有的內存空間（稱為工作內存），如果線程1要向線程2通信，一定會經過類似的流程：

輕鬆學JVM（二）——內存模型、可見性、指令重排序

1、線程1將自己工作內存中的X更新為1並刷新到主內存中；

2、線程2從主內存讀取變數X=1，更新到自己的工作內存中，從而線程2讀取的X就是線程1更新後的值。

從上面的流程看出線程之間的通信都需要經過主內存，而主內存與工作內存的交互，則需要Java內存模型（JMM）來管理器。下圖演示了JMM如何管理主內存和工作內存：

輕鬆學JVM（二）——內存模型、可見性、指令重排序

當線程1需要將一個更新後的變數值刷新到主內存中時，需要經過兩個步驟：

1、工作內存執行store操作；

2、主內存執行write操作；

完成這兩步即可將工作內存中的變數值刷新到主內存，即線程1工作內存和主內存的變數值保持一致；

當線程2需要從主內存中讀取變數的最新值時，同樣需要經過兩個步驟：

1、主內存執行read操作，將變數值從主內存中讀取出來；

2、工作內存執行load操作，將讀取出來的變數值更新到本地內存的副本；

完成這兩步，線程2的變數和主內存的變數值就保持一致了。

可見性

Java中有一個關鍵字volatile，它有什麼用呢？這個答案其實就在上述java線程間通信機制中，我們想像一下，由於工作內存這個中間層的出現，線程1和線程2必然存在延遲的問題，例如線程1在工作內存中更新了變數，但還沒刷新到主內存，而此時線程2獲取到的變數值就是未更新的變數值，又或者線程1成功將變數更新到主內存，但線程2依然使用自己工作內存中的變數值，同樣會出問題。不管出現哪種情況都可能導致線程間的通信不能達到預期的目的。例如以下例子：

//線程1 boolean stop = false; while(!stop){ doSomething; } //線程2

stop

= true;

這個經典的例子表示線程2通過修改stop的值，控制線程1中斷，但在真實環境中可能會出現意想不到的結果，線程2在執行之後，線程1並沒有立刻中斷甚至一直不會中斷。出現這種現象的原因就是線程2對線程1的變數更新無法第一時間獲取到。

但這一切等到Volatile出現後，再也不是問題，Volatile保證兩件事：

1、線程1工作內存中的變數更新會強制立即寫入到主內存；

2、線程2工作內存中的變數會強制立即失效，這使得線程2必須去主內存中獲取最新的變數值。

所以這就理解了Volatile保證了變數的可見性，因為線程1對變數的修改能第一時間讓線程2可見。

指令重排序

關於指令排序我們先看一段代碼：

int a = 0; boolean flag = false;

//線程1

public void writer {

a = 1;

flag = true;

}

//線程2

public void reader {

if (flag) {

int i= a+1;

...... }

}

線程1依次執行a=1,flag=true；線程2判斷到flag==true後，設置i=a+1，根據代碼語義，我們可能會推斷此時i的值等於2，因為線程2在判斷flag==true時，線程1已經執行了a=1；所以i的值等於a+1=1+1=2；但真實情況卻不一定如此，引起這個問題的原因是線程1內部的兩條語句a=1；flag=true；可能被重新排序執行，如圖：

輕鬆學JVM（二）——內存模型、可見性、指令重排序

這就是指令重排序的簡單演示，兩個賦值語句儘管他們的代碼順序是一前一後，但真正執行時卻不一定按照代碼順序執行。你可能會說，有這個指令重排序那不是亂套了嗎？我寫的程序都不按我的代碼流程走，這怎麼玩？這個你可以放心，你的程序不會亂套，因為java和CPU、內存之間都有一套嚴格的指令重排序規則，哪些可以重排，哪些不能重排都有規矩的。下列流程演示了一個java程序從編譯到執行會經歷哪些重排序：

在這個流程中第一步屬於編譯器重排查，編譯器重排序會按JMM的規範嚴格進行，換言之編譯器重排序一般不會對程序的正確邏輯造成影響。第二、三步屬於處理器重排序，處理器重排序JMM就不好管了，怎麼辦呢？它會要求java編譯器在生成指令時加入內存屏障，內存屏障是什麼？你可以理解為一個不透風的保護罩，把不能重排序的java指令保護起來，那麼處理器在遇到內存屏障保護的指令時就不會對它進行重排序了。關於在哪些地方該加入內存屏障，內存屏障有哪些種類，各有什麼作用，這些知識點這裡就不再闡述了。可以參考JVM規範相關資料。

下面介紹一下在同一個線程中，不會被重排序的邏輯：

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