摘要：下面是該程序在兩個(gè)內(nèi)存模型中的執(zhí)行時(shí)序?qū)Ρ葓D在順序一致性模型中，所有操作完全按程序的順序串行執(zhí)行。不保證未同步程序的執(zhí)行結(jié)果與該程序在順序一致性模型中的執(zhí)行結(jié)果一致。

前情提要 深入理解Java內(nèi)存模型（二）——重排序

當(dāng)程序未正確同步時(shí)，就會(huì)存在數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)。java內(nèi)存模型規(guī)范對(duì)數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的定義如下：

在一個(gè)線程中寫一個(gè)變量，

在另一個(gè)線程讀同一個(gè)變量，

而且寫和讀沒有通過同步來排序。

當(dāng)代碼中包含數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，程序的執(zhí)行往往產(chǎn)生違反直覺的結(jié)果（前一章的示例正是如此）。如果一個(gè)多線程程序能正確同步，這個(gè)程序?qū)⑹且粋€(gè)沒有數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的程序。

JMM對(duì)正確同步的多線程程序的內(nèi)存一致性做了如下保證：

如果程序是正確同步的，程序的執(zhí)行將具有順序一致性（sequentially consistent）–即程序的執(zhí)行結(jié)果與該程序在順序一致性內(nèi)存模型中的執(zhí)行結(jié)果相同（馬上我們將會(huì)看到，這對(duì)于程序員來說是一個(gè)極強(qiáng)的保證）。這里的同步是指廣義上的同步，包括對(duì)常用同步原語（lock，volatile和final）的正確使用。

順序一致性內(nèi)存模型是一個(gè)被計(jì)算機(jī)科學(xué)家理想化了的理論參考模型，它為程序員提供了極強(qiáng)的內(nèi)存可見性保證。順序一致性內(nèi)存模型有兩大特性：

一個(gè)線程中的所有操作必須按照程序的順序來執(zhí)行。

（不管程序是否同步）所有線程都只能看到一個(gè)單一的操作執(zhí)行順序。在順序一致性內(nèi)存模型中，每個(gè)操作都必須原子執(zhí)行且立刻對(duì)所有線程可見。

順序一致性內(nèi)存模型為程序員提供的視圖如下：

在概念上，順序一致性模型有一個(gè)單一的全局內(nèi)存，這個(gè)內(nèi)存通過一個(gè)左右擺動(dòng)的開關(guān)可以連接到任意一個(gè)線程。同時(shí)，每一個(gè)線程必須按程序的順序來執(zhí)行內(nèi)存讀/寫操作。從上圖我們可以看出，在任意時(shí)間點(diǎn)最多只能有一個(gè)線程可以連接到內(nèi)存。當(dāng)多個(gè)線程并發(fā)執(zhí)行時(shí)，圖中的開關(guān)裝置能把所有線程的所有內(nèi)存讀/寫操作串行化。

為了更好的理解，下面我們通過兩個(gè)示意圖來對(duì)順序一致性模型的特性做進(jìn)一步的說明。

假設(shè)有兩個(gè)線程A和B并發(fā)執(zhí)行。其中A線程有三個(gè)操作，它們?cè)诔绦蛑械捻樞蚴牵?b>A1->A2->A3。B線程也有三個(gè)操作，它們?cè)诔绦蛑械捻樞蚴牵?b>B1->B2->B3。

假設(shè)這兩個(gè)線程使用監(jiān)視器來正確同步：A線程的三個(gè)操作執(zhí)行后釋放監(jiān)視器，隨后B線程獲取同一個(gè)監(jiān)視器。那么程序在順序一致性模型中的執(zhí)行效果將如下圖所示：

現(xiàn)在我們?cè)偌僭O(shè)這兩個(gè)線程沒有做同步，下面是這個(gè)未同步程序在順序一致性模型中的執(zhí)行示意圖：

未同步程序在順序一致性模型中雖然整體執(zhí)行順序是無序的，但所有線程都只能看到一個(gè)一致的整體執(zhí)行順序。以上圖為例，線程A和B看到的執(zhí)行順序都是：B1->A1->A2->B2->A3->B3。之所以能得到這個(gè)保證是因?yàn)轫樞蛞恢滦詢?nèi)存模型中的每個(gè)操作必須立即對(duì)任意線程可見。

但是，在JMM中就沒有這個(gè)保證。未同步程序在JMM中不但整體的執(zhí)行順序是無序的，而且所有線程看到的操作執(zhí)行順序也可能不一致。比如，在當(dāng)前線程把寫過的數(shù)據(jù)緩存在本地內(nèi)存中，且還沒有刷新到主內(nèi)存之前，這個(gè)寫操作僅對(duì)當(dāng)前線程可見；從其他線程的角度來觀察，會(huì)認(rèn)為這個(gè)寫操作根本還沒有被當(dāng)前線程執(zhí)行。只有當(dāng)前線程把本地內(nèi)存中寫過的數(shù)據(jù)刷新到主內(nèi)存之后，這個(gè)寫操作才能對(duì)其他線程可見。在這種情況下，當(dāng)前線程和其它線程看到的操作執(zhí)行順序?qū)⒉灰恢隆?/p> 同步程序的順序一致性效果

下面我們對(duì)前面的示例程序ReorderExample用監(jiān)視器來同步，看看正確同步的程序如何具有順序一致性。

請(qǐng)看下面的示例代碼：

class SynchronizedExample {
int a = 0;
boolean flag = false;

public synchronized void writer() {
    a = 1;
    flag = true;
}

public synchronized void reader() {
    if (flag) {
        int i = a;
        ……
    }
}
}

上面示例代碼中，假設(shè)A線程執(zhí)行writer()方法后，B線程執(zhí)行reader()方法。這是一個(gè)正確同步的多線程程序。根據(jù)JMM規(guī)范，該程序的執(zhí)行結(jié)果將與該程序在順序一致性模型中的執(zhí)行結(jié)果相同。下面是該程序在兩個(gè)內(nèi)存模型中的執(zhí)行時(shí)序?qū)Ρ葓D：

在順序一致性模型中，所有操作完全按程序的順序串行執(zhí)行。而在JMM中，臨界區(qū)內(nèi)的代碼可以重排序（但JMM不允許臨界區(qū)內(nèi)的代碼“逸出”到臨界區(qū)之外，那樣會(huì)破壞監(jiān)視器的語義）。JMM會(huì)在退出監(jiān)視器和進(jìn)入監(jiān)視器這兩個(gè)關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)做一些特別處理，使得線程在這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)具有與順序一致性模型相同的內(nèi)存視圖（具體細(xì)節(jié)后文會(huì)說明）。雖然線程A在臨界區(qū)內(nèi)做了重排序，但由于監(jiān)視器的互斥執(zhí)行的特性，這里的線程B根本無法“觀察”到線程A在臨界區(qū)內(nèi)的重排序。這種重排序既提高了執(zhí)行效率，又沒有改變程序的執(zhí)行結(jié)果。

從這里我們可以看到JMM在具體實(shí)現(xiàn)上的基本方針：在不改變（正確同步的）程序執(zhí)行結(jié)果的前提下，盡可能的為編譯器和處理器的優(yōu)化打開方便之門。

對(duì)于未同步或未正確同步的多線程程序，JMM只提供最小安全性：線程執(zhí)行時(shí)讀取到的值，要么是之前某個(gè)線程寫入的值，要么是默認(rèn)值（0，null，false），JMM保證線程讀操作讀取到的值不會(huì)無中生有（out of thin air）的冒出來。為了實(shí)現(xiàn)最小安全性，JVM在堆上分配對(duì)象時(shí)，首先會(huì)清零內(nèi)存空間，然后才會(huì)在上面分配對(duì)象（JVM內(nèi)部會(huì)同步這兩個(gè)操作）。因此，在以清零的內(nèi)存空間（pre-zeroed memory）分配對(duì)象時(shí)，域的默認(rèn)初始化已經(jīng)完成了。

JMM不保證未同步程序的執(zhí)行結(jié)果與該程序在順序一致性模型中的執(zhí)行結(jié)果一致。因?yàn)槲赐匠绦蛟陧樞蛞恢滦阅Ｐ椭袌?zhí)行時(shí)，整體上是無序的，其執(zhí)行結(jié)果無法預(yù)知。保證未同步程序在兩個(gè)模型中的執(zhí)行結(jié)果一致毫無意義。

和順序一致性模型一樣，未同步程序在JMM中的執(zhí)行時(shí)，整體上也是無序的，其執(zhí)行結(jié)果也無法預(yù)知。同時(shí)，未同步程序在這兩個(gè)模型中的執(zhí)行特性有下面幾個(gè)差異：

順序一致性模型保證單線程內(nèi)的操作會(huì)按程序的順序執(zhí)行，而JMM不保證單線程內(nèi)的操作會(huì)按程序的順序執(zhí)行（比如上面正確同步的多線程程序在臨界區(qū)內(nèi)的重排序）。這一點(diǎn)前面已經(jīng)講過了，這里就不再贅述。

順序一致性模型保證所有線程只能看到一致的操作執(zhí)行順序，而JMM不保證所有線程能看到一致的操作執(zhí)行順序。這一點(diǎn)前面也已經(jīng)講過，這里就不再贅述。

JMM不保證對(duì)64位的long型和double型變量的讀/寫操作具有原子性，而順序一致性模型保證對(duì)所有的內(nèi)存讀/寫操作都具有原子性。

第3個(gè)差異與處理器總線的工作機(jī)制密切相關(guān)。在計(jì)算機(jī)中，數(shù)據(jù)通過總線在處理器和內(nèi)存之間傳遞。每次處理器和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳遞都是通過一系列步驟來完成的，這一系列步驟稱之為總線事務(wù)（bus transaction）。總線事務(wù)包括讀事務(wù)（read transaction）和寫事務(wù)（write transaction）。讀事務(wù)從內(nèi)存?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)到處理器，寫事務(wù)從處理器傳送數(shù)據(jù)到內(nèi)存，每個(gè)事務(wù)會(huì)讀/寫內(nèi)存中一個(gè)或多個(gè)物理上連續(xù)的字。這里的關(guān)鍵是，總線會(huì)同步試圖并發(fā)使用總線的事務(wù)。在一個(gè)處理器執(zhí)行總線事務(wù)期間，總線會(huì)禁止其它所有的處理器和I/O設(shè)備執(zhí)行內(nèi)存的讀/寫。下面讓我們通過一個(gè)示意圖來說明總線的工作機(jī)制：

如上圖所示，假設(shè)處理器A，B和C同時(shí)向總線發(fā)起總線事務(wù)，這時(shí)總線仲裁（bus arbitration）會(huì)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)作出裁決，這里我們假設(shè)總線在仲裁后判定處理器A在競(jìng)爭(zhēng)中獲勝（總線仲裁會(huì)確保所有處理器都能公平的訪問內(nèi)存）。此時(shí)處理器A繼續(xù)它的總線事務(wù)，而其它兩個(gè)處理器則要等待處理器A的總線事務(wù)完成后才能開始再次執(zhí)行內(nèi)存訪問。假設(shè)在處理器A執(zhí)行總線事務(wù)期間（不管這個(gè)總線事務(wù)是讀事務(wù)還是寫事務(wù)），處理器D向總線發(fā)起了總線事務(wù)，此時(shí)處理器D的這個(gè)請(qǐng)求會(huì)被總線禁止。

總線的這些工作機(jī)制可以把所有處理器對(duì)內(nèi)存的訪問以串行化的方式來執(zhí)行；在任意時(shí)間點(diǎn)，最多只能有一個(gè)處理器能訪問內(nèi)存。這個(gè)特性確保了單個(gè)總線事務(wù)之中的內(nèi)存讀/寫操作具有原子性。

在一些32位的處理器上，如果要求對(duì)64位數(shù)據(jù)的寫操作具有原子性，會(huì)有比較大的開銷。為了照顧這種處理器，java語言規(guī)范鼓勵(lì)但不強(qiáng)求JVM對(duì)64位的long型變量和double型變量的寫具有原子性。當(dāng)JVM在這種處理器上運(yùn)行時(shí)，會(huì)把一個(gè)64位long/ double型變量的寫操作拆分為兩個(gè)32位的寫操作來執(zhí)行。這兩個(gè)32位的寫操作可能會(huì)被分配到不同的總線事務(wù)中執(zhí)行，此時(shí)對(duì)這個(gè)64位變量的寫將不具有原子性。

當(dāng)單個(gè)內(nèi)存操作不具有原子性，將可能會(huì)產(chǎn)生意想不到后果。請(qǐng)看下面示意圖：

如上圖所示，假設(shè)處理器A寫一個(gè)long型變量，同時(shí)處理器B要讀這個(gè)long型變量。處理器A中64位的寫操作被拆分為兩個(gè)32位的寫操作，且這兩個(gè)32位的寫操作被分配到不同的寫事務(wù)中執(zhí)行。同時(shí)處理器B中64位的讀操作被分配到單個(gè)的讀事務(wù)中執(zhí)行。當(dāng)處理器A和B按上圖的時(shí)序來執(zhí)行時(shí)，處理器B將看到僅僅被處理器A“寫了一半“的無效值。

注意，在JSR -133之前的舊內(nèi)存模型中，一個(gè)64位long/ double型變量的讀/寫操作可以被拆分為兩個(gè)32位的讀/寫操作來執(zhí)行。從JSR -133內(nèi)存模型開始（即從JDK5開始），僅僅只允許把一個(gè)64位long/ double型變量的寫操作拆分為兩個(gè)32位的寫操作來執(zhí)行，任意的讀操作在JSR -133中都必須具有原子性（即任意讀操作必須要在單個(gè)讀事務(wù)中執(zhí)行）。

JSR-133: Java Memory Model and Thread Specification

Shared memory consistency models: A tutorial

The JSR-133 Cookbook for Compiler Writers

深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（原書第2版）

UNIX Systems for Modern Architectures: Symmetric Multiprocessing and Caching for Kernel Programmers

程曉明，Java軟件工程師，國家認(rèn)證的系統(tǒng)分析師、信息項(xiàng)目管理師。專注于并發(fā)編程。個(gè)人郵箱：asst2003@163.com。

請(qǐng)看下篇 深入理解Java內(nèi)存模型（四）—— volatile

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