简述Java内存模型的由来、概念及语义

JDK5引入了JMM新规范：JSR-133，引入了happens-before/可见性等概念，对synchronized/volatile/final等关键词进行了语义定义。解决了：final变量在构造器中初始化的线程安全问题以及volatile变量与no-volatile变量之间的重排序问题。

为什么需要Memory Model

在多线程的场景下，thread1修改了一个变量后，thread2要读取这个变量，其间可能会发生指令执行顺序的问题（因为编译器优化指令、处理器重排指令、写数据缓存未及时更新到主内存）。如何保证thread2要读的变量是想要的thread1修改后的变量呢？

 

Memory Model 描述了程序中变量以及它们在寄存器、缓存、内存中的关系的问题。即，在没有Momory Model 的情况下，无法保证多线程环境下变量调用的次序问题，有了Memory Model的具体关键词对应的 语义定义（比如synchronized/volatile/final），就可以使用这些关键词来保证程序是按照想要的逻辑在多线程环境下正确执行。

旧有JMM的问题

问题#1：不可变（Immutable）对象并不是不可变的

 

不可变对象：对象的所有字段必须是final的，并且必须是基元类型或者是不可变对象的引用。比如，String对象是不可变的，语义上来说应该不需要 synchronization，但事实上是，多线程场景下有可能有竞争条件。

 

@JKD1.4

class String
{
     static final char[] charArray;
     static int length;
     static int offset;     // 表示字符串的开始位置
}

 charArray数组以及length、offset可以在多个String/StringBuffer中共享。比如 String.substring()就是共享了原有String的charArray。 

String s1 = "/usr/tmp";
String s2 = s1.substring(4);   // contains "/tmp"

在旧有JMM中，没有synchronization。初始化s1的时，object的构造器将length/offset初始化为0，此时其他线程可以访问这些值（这个时候使用substring明显就有问题），接下来String的构造器为length/offset赋值为需要的值。新JMM模型解决了final变量在构造器中初始化时的线程安全问题，即：final变量在初始化之前（构造函数执行完毕之前）是不允许其他线程可见的。

 

问题#2：volatile变量与非volatile变量的重排序

 

volatile变量在旧有JMM 仅有的一个语义：对于一个volatile变量的读，总是能看到其它任意线程对个这个volatile变量的最后写入。即，对volatile变量的写 happends-before 其他线程对其读。

 

在旧有JMM中，虽然不允许volatile变量之间的重排序，但允许volatile变量与其它普通变量之间重排序。这就导致了在把volatile变量作为标志位的场景下出现问题。

 

Map configOptions;
char[] configText;
volatile boolean initialized = false;
. . .
// In thread A
configOptions = new HashMap();
configText = readConfigFile(fileName);
processConfigOptions(configText, configOptions);
initialized = true;
. . .
// In thread B
while (!initialized) 
  sleep();
// use configOptions ，在旧有JMM中，这里并不保证configOptions已经初始化，因为变量顺序可能已经重排。

 

新JMM模型解决了这个问题，引入了新语义： volatile变量不能与非volatile变量发生重排。

新的JMM

Visibility 可见性

当ThreadA执行 val = 1 后，其它线程如何能够确保看到ThreadA的执行结果（即变量此时对其它线程的Visibility）？JMM规范中的某些定义（volatile/synchronized/final）来确保这件事情。

 

synchronized 与可见性

synchronized 不仅有进入一个临界区锁定的语义，同时还具有内存可见性(memory visibility)方面的意义。离开synchronized块时，cache必须flush到主内存当中；进入synchronized块时，cache失效，随后的读操作必须到主内存当中读。即，synchronized块里面的变量写操作对其他线程是 可见（visible）的！

 

Volatile

新的JMM增强了volatile的内存语义，禁止与普通变量重排。即，threadA对一个 volatile 变量 write ，threadB读取那个变量。那么，对A可见的 所有变量，必须同时对B可见。

 

happens-before

普通的多线程如果没有任何数据共享和交互，则指令可能会因为优化的缘故进行重排，也不会造成影响。如果线程之间有数据竞争，则需要使用synchronized(Moniter)/volatile等来保证指令的执行顺序。JMM定义了一种排序叫“happens-before”，使用该概念，JMM来解释什么叫做内存可见性。如果一个操作A的结果对另外一个操作B是内存可见的，则A happends-before B。

* 一个线程中，靠前的操作 happends-before 后续操作。

* 对monitor的unlock happends-before 后续的加锁操作。

* 对volatile变量的写操作 happends-before 后续的读。

* Thread.start()的调用操作 happends-before 线程内部操作。

* 线程的所有操作都 happends-before 后续的线程join()。

 

Data races —— 数据竞争

存在数据竞争，说明该程序没有进行良好的同步，没有处理好 happends-before 关系。

 

 

final变量的初始化安全

 

对象只有在完全初始化后，其final变量对其它线程才是可见的。这说明， final变量的初始化可以在不使用synchronization的情况下实现线程安全。这样，final变量实现了真正意义上的final（即，不-可-变），而不会在初始化过程中、后在多线程中看起来会改变。

 

class A
{
     final Map<String,String> map=null;
     public void A()
     {
          map = new HashMap<String,String>();
          map.put("key1","value1");
     }
}

 

其他线程在引用A的对象之前，JMM保证A的final变量已经被其构造函数完全初始化。也就是说，final变量的完全初始化 happends-before 其他线程对该对象的引用。即，final变量在 构造函数中的初始化是线程安全的。

Refs

http://en.wikipedia.org/wiki/Java_Memory_Model

http://www.ibm.com/developerworks/library/j-jtp02244/index.html 

http://www.ibm.com/developerworks/library/j-jtp03304/  

http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/ 

http://www.infoq.com/cn/articles/java-memory-model-1 

http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/jsr-133-faq.html