JAVA虚拟机-JMM内存模型(六)

1.JMM (Java Memory Model)内存模型相关概念

模型图:

可以对应下面这张图：

 

 

 

这张图告诉我们在线程运行的时候有一个内存专用的一小块内存，当Java程序会将变量同步到线程所在的内存，这时候会操作工作内存中的变量，而线程 中变量的值何时同步回主内存是不可预期的。但同时Java内存模型又告诉我们通过使用关键词“synchronized”或“volatile”可以让 Java保证某些约束：

“volatile” — 保证读写的都是主内存的变量
“synchronized” — 保证在块开始时都同步主内存的值到工作内存，而块结束时将变量同步回主内存.

 本地内存是什么，数据存在哪里?
     1、java内存模型的抽象概念
     2、并不在堆中，而是在cpu中的物理cache

可参考：http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html 第一部分

Intel 的MESI协议，MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。它核心的思想是：当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态，因此当其他CPU需要读取这个变量时，发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的，那么它就会从内存重新读取。

 

 跨核访问需要通过Memory Controller
问题：为什么需要这样？
     访问快！！
     就像：访问mysql时，常用结果会被缓存到redis等缓存产品一样；
     Cpu与内存的交互速度远慢于cpu的运算速度为了提高处理速度，先进系统内存的数据读到内存缓存（L1，L2，L3等）
缓存行(Cache line)
 为了高效地存取缓存, 不是简单随意地将单条数据写入缓存的.  缓存是由缓存行组成的, 典型的一行是64字节.

读者可以通过下面的shell命令,查看cherency_line_size就知道知道机器的缓存行是多大。

  cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index0/coherency_line_size  

 查看下面这台机器： 16个cpu 每个为4核  缓存行64字节

 

 2.并发编程几个重要概念

2.1 三个特性

在并发编程中，我们通常会遇到以下三个问题：原子性问题，可见性问题，有序性问题。我们先看具体看一下这三个概念：

1).原子性

     原子性：即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。

2).可见性

　　可见性是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。

3).有序性

　　有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

 

2.2 重排序

JMM属于语言级的内存模型，它确保在不同的编译器和不同的处理器平台之上，通过禁止特定类型的编译器重排序和处理器重排序，为程序员提供一致的内存可见性保证。
对于编译器冲排序，JMM的编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排序（不是所有的编译器重排序都要禁止）。
对于处理器重排序，JMM的处理器重排序规则会要求java编译器在生成指令序列时，插入特定类型的内存屏障（memory barriers，intel称之为memory fence）指令，通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序（不是所有的处理器重排序都要禁止）。

引申：

在执行程序时为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序。重排序分三种类型：

1. 编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
2. 指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术（Instruction-Level Parallelism， ILP）来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
3. 内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

上述的1属于编译器重排序，2和3属于处理器重排序。这些重排序都可能会导致多线程程序出现内存可见性问题。

 2.3 内存屏障memory Barriers

内存屏障类型
   
volatile语义中内存屏障的插入策略
     在每个volatile写前面插入SS
     在每个volatile写后面插入SL
     在每个volatile读后面插入LL，插入LS

连续的操作之间多余的内存屏障会由编译器觉得是否省略。

     同时，不同的操作系统所允许的重排序类型也不尽相同，例如x86只允许sl重排序，所以其实只需要加这一种内存屏障即可。

 

3.volatile,final,synchronized锁语义

3.1 volatile内存语义   

      允许线程访问共享变量。为了确保共享变量能够被准确和一致地更新，线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。
          1、某些情况比锁更加方便
          2、内存模型确保线程可以看到的变量的值是一致的
     Lock前缀的指令
          java -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:CompileCommand=print,*类名.方法名 类名
         
          1、将当前处理器缓存行的数据写回系统内存
          2、使其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效
          缓存一致性协议：每个处理器嗅探总线上传播的数据来检查自己缓存的值是否过期，当发现缓存行对应的内存地址被修改，会将当前行设置成无效状态，再次操作，会重新从系统内存中读取。
          可见性：对一个volatile变量的读，总能看到（任意线程）对这个变量最后的写入。
          原子性：对任意单个volatile变量的读/写具有原子性，但类似于volatile++这种复合操作不具有原子性，obj = new Object();也不是原子性

 

3.2 final域的内存语义
     final域，编译器和处理器遵守两个重排序规则
     1、在构造器内对final域的写入，与随后把这个被构造对象的引用赋值给一个引用变量，这两个操作之间不能重排序。SS屏障
     2、初次读一个包含final域的对象的引用，与随后初次读这个final域，这两个操作之间不能重排序。LL屏障
     防止域从构造器中溢出。旧的内存模型中，可能看到final域的值为0，稍后由于初始化，发现final域的值变为1，这是比较尴尬的，所有JSR-133增强了final的语义，只要对象正确构造（被构造对象的引用在构造器中没有溢出），那么不需要使用同步，就可以保证任意线程都能看到final域在构造器中被初始化之后的值。
     同时x86处理器只允许SL重排序，所以final语义的实现其实无需增加内存屏障。

 

3.3 锁的内存语义

 

 

 待续......

 

 

 

1.解决以下问题：

1).JMM内存模型中本地缓存和工作内存是什么关系?

2).重排序在什么时候进行？(JIT编译优化时进行)

3).什么是内存屏障Memory Barriers,内存屏障帮我做了什么？4).内存屏障的4种插入形式?

5).原子性 可见性 重排序 顺序一致性的解释？

6).volatile，synchronized,final的语义

7).as-id-serial,happens-before的语义

 

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参考：

1.聊聊我对Java内存模型的理解

       2.Java并发编程：volatile关键字解析

      3.并发编程网： JAVA内存模型