JSR133提案-修復Java內存模型

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目錄

  • 1. 什麼是內存模型？
  • 2. JSR 133是關於什麼的?
  • 3. 再談指令重排序
  • 4.同步都做了什麼？
  • 5. final字段在舊的內存模型中為什麼可以改變？
  • 6.“初始化安全”與final字段？
  • 7. 增強volatile語義
  • 8. 修復“double-checked locking”的問題
  • 9. 為什麼要關心這些問題？
  • 延伸閱讀

1. 什麼是內存模型？

在多處理器系統中，為了提高訪問數據的速度，通常會增加一層或多層高速緩存(越靠近處理器的緩存速度越快)。
但是緩存同時也帶來了許多新的挑戰。比如，當兩個處理器同時讀取同一個內存位置時，看到的結果可能會不一樣？
在處理器維度上，內存模型定義了一些規則來保證當前處理器可以立即看到其他處理器的寫入，以及當前處理器的寫入對其他處理器立即可見。這些規則被稱為緩存一致性協議。
有些多處理器架構實現了強一致性，所有的處理器在同一時刻看到的同一內存位置的值是一樣的。
而其他處理器實現的則是較弱的一致性，需要使用被稱為內存屏障的特殊機器指令使來實現最終一致性（通過刷新緩存或使緩存失效）。
這些內存屏障通常在釋放鎖和獲取鎖時被執行；對於高級語言(如Java)的程序員來說，它們是不可見的。

在強一致性的處理器上,由於減少了對內存屏障的依賴，編寫併發程序會更容易一些。
但是，相反的，近年來處理器設計的趨勢是使用較弱的內存模型，因為放寬對緩存一致性的要求可以使得多處理器系統有更好的伸縮性和更大的內存。

此外，編譯器、緩存或運行時還被允許通過指令重排序改變內存的操作順序(相對於程序所表現的順序)。
例如，編譯器可能會往後移動一個寫入操作，只要移動操作不改變程序的原本語義(as-if-serial語義)，就可以自由進行更改。
再比如，緩存可能會推遲把數據刷回到主內存中，直到它認為時機合適了。
這種靈活的設計，目的都是為了獲得得最佳的性能，
但是在多線程環境下，指令重排會使得跨線程可見性的問題變的更複雜。

為了方便理解，我們來看個代碼示例：

Class Reordering {
  int x = 0, y = 0;
  //thread A
   public void writer() {
        x = 1;
        y = 2;
    }

    //thread B
    public void reader() {
        int r1 = y;
        int r2 = x;
     }
}

假設這段代碼被兩個線程併發執行，線程A執行writer()，線程B執行reader()。
如果線程B在reader()中看到了y=2，那麼直覺上我們會認為它看到的x肯定是1，因為在writer()中x=1在y=2之前 。
然而，發生重排序時y=2會早於x=1執行，此時，實際的執行順序會是這樣的：

y=2；
int r1=y;
int r2=x;
x=1;

結果就是，r1的值是2，r2的值是0。
從線程A的角度看，x=1與y=2哪個先執行結果是一樣的（或者說沒有違反as-if-serial語義），但是在多線程環境下，這種重排序會產生混亂的結果。

我們可以看到，高速緩存和指令重排序提高了效率的同時也引出了新的問題，這顯然使得編寫併發程序變得更加困難。
Java內存模型就是為了解決這類問題，它對多線程之間如何通過內存進行交互做了明確的說明。
更具體點，Java內存模型描述了程序中的變量與實際計算機的存儲設備（包括內存、緩存、寄存器）之間交互的底層細節。
例如，Java提供了volatile、final和 synchronized等工具，用於幫助程序員向編譯器表明對併發程序的要求。
更重要的是，Java內存模型保證這些同步工具可以正確的運行在任何處理器架構上，使Java併發應用做到“Write Once, Run Anywhere”。

相比之下，大多數其他語言(例如C/C++)都沒有提供显示的內存模型。
C程序繼承了處理器的內存模型，這意味着，C語言的併發程序在一個處理器架構中可以正確運行，在另外一個架構中則不一定。

2. JSR 133是關於什麼的?

Java提供的跨平台內存模型是一個雄心勃勃的計劃，在當時是具有開創性的。
但不幸的是，定義一個即直觀又一致的內存模型比預期的要困難得多。
自1997年以來，在《Java語言規範》的第17章關於Java內存模型的定義中發現了一些嚴重的缺陷。
這些缺陷使一些同步工具產生混亂的結果，例如final字段可以被更改。
JSR 133為Java語言定義了一個新的內存模型，修復了舊版內存模型的缺陷（修改了final和volatile的語義)
JSR的主要目標包括不限於這些：

  1. 正確同步的語義應該更直觀更簡單。
  2. 應該定義不完整或不正確同步的語義，以最小化潛在的安全隱患
  3. 程序員應該有足夠的自信推斷出多線程程序如何與內存交互的。
  4. 提供一個新的初始化安全性保證(initialization safety)。
    如果一個對象被正確初始化了(初始化期間，對象的引用沒有逃逸，比如構造函數里把this賦值給變量)，那麼所有可以看到該對象引用的線程，都可以看到在構造函數中被賦值的final變量。這不需要使用synchronized或volatile。

3. 再談指令重排序

在許多情況下，出於優化執行效率的目的，數據(實例變量、靜態字段、數組元素等)可以在寄存器、緩存和內存之間以不同於程序中聲明的順序被移動。
例如，線程先寫入字段a，再寫入字段b，並且b的值不依賴a，那麼編譯器就可以自由的對這些操作重新排序，在寫入a之前把b的寫入刷回到內存。
除了編譯器，重排序還可能發生在JIT、緩存、處理器上。
無論發生在哪裡，重排序都必須遵循as-if-serial語義，這意味着在單線程程序中，程序不會覺察到重排序的存在，或者說給單線程程序一種沒有發生過重排序的錯覺。
但是，重排序在沒有同步的多線程程序中會產生影響。在這種程序中，一個線程能夠觀察到其他線程的運行情況，並且可能檢測到變量訪問順序與代碼中指定的順序不一致。
大多數情況下，一個線程不會在乎另一個線程在做什麼，但是，如果有，就是同步的用武之地。

4.同步都做了什麼？

同步有很多面，最為程序員熟知的是它的互斥性，同一時刻只能有一個線程持有monitor。
但是，同步不僅僅是互斥性。同步還能保證一個線程在同步塊中的寫內存操作對其他持有相同monitor的線程立即可見。
當線程退出同步塊時(釋放monitor)，會把緩存中的數據刷回到主內存，使主內存中保持最新的數據。
當線程進入同步塊時(獲取monitor)，會使本地處理器緩存失效，使得變量必須從主內存中重新加載。
我們可以看到，之前的所有寫操作對後來的線程都是可見的。

5. final字段在舊的內存模型中為什麼可以改變？

證明final字段可以改變的最佳示例是String類的實現(JDK 1.4版本)。
String對象包含三個字段：一個字符串數組的引用value、一個記錄數組中開始位置的offset、字符串長度length。
通過這種方式，可以實現多個String/StringBuffer對象共享一個相同的字符串數組，從而避免為每個對象分配額外的空間。
例如，String.substring()通過與原String對象共享一個數組來產生一個新的對象，唯一的不同是length和offset字段。

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

s2和s1共享一個字符串數組”/usr/tmp”，不同的是s2的offset=4，length=4，s1的offset=0，length=8。
在String的構造函數運行之前，根類Object的構造函數會先初始化所有字段為默認值，包括final的length和offset字段。
當String的構造函數運行時，再把length和offset賦值為期望的值。
但是這一過程，在舊的內存模型中，如果沒有使用同步，另一個線程可能會看到offset的默認值0，然後在看到正確的值4.
結果導致一個迷幻的現象，開始看到字符串s2的內容是’/usr’，然後再看到’/tmp’。
這不符合我們對final語義的認識，但是在舊內存模型中確實存在這樣的問題。
（JDK7開始，改變了substring的實現方式，每次都會創建一個新的對象）

6.“初始化安全”與final字段？

新的內存模型提供一個新初始化安全( initialization safety)保障。
意味着，只要一個對象被正確的構造，那麼所有的線程都會看到這些在構造函數中被賦值的final字段。
“正確”的構造是指在構造函數執行期間，對象的引用沒有發生逃逸。或者說，在構造函數中沒有把該對象的引用賦值給任何變量。

class FinalFieldExample {
  final int x;
  int y;
  static FinalFieldExample f;
  public FinalFieldExample() {
    x = 3;
    y = 4;
  }

  static void writer() {
    f = new FinalFieldExample();
  }

  static void reader() {
    if (f != null) {
      int i = f.x;
      int j = f.y;
    }
  }
}

示例中，初始化安全保證執行reader()方法的線程看到的f.x=3，因為它是final字段，但是不保證能看到y=4，因為它不是final的。
但是如果構造函數像這樣:

public FinalFieldExample() { // bad!
  x = 3;
  y = 4;
  global.obj = this;  //  allowing this to escape
}

初始化安全不能保證讀取global.obj的線程看到的x的值是3，因為對象引用this發生了逃逸。

不僅如此，任何通過final字段(構造函數中被賦值的)可以觸達的變量都可以保證對其他線程可見。
這意味着如果一個final字段包含一個引用，例如ArrayList，除了該字段的引用對其他線程可見，ArrayList中的元素對其他線程也是可見的。

初始化安全增強了final的語義，使其更符合我們對final的直觀感受，任何情況下都不會改變。

7. 增強volatile語義

volatile變量是用於線程之間傳遞狀態的特殊變量，這要求任何線程看到的都是volatile變量的最新值。
為實現可見性，禁止在寄存器中分配它們，還必須確保修改volatile后，要把最新值從緩存刷到內存中。
類似的，在讀取volatile變量之前，必須使高速緩存失效，這樣其他線程會直接讀取主內存中的數據。
在舊的內存模型中，多個volatile變量之間不能互相重排序，但是它們被允許可以與非volatile變量一起重排序，這消弱了volatile作為線程間交流信號的作用。
我們來看個示例：

Map configs;
volatile boolean initialized = false;
. . .
 
// In thread A
configs  =  readConfigFile(fileName);
processConfigOptions( configs);
initialized = true;
. . .
 
// In thread B
while (initialized) {
    // use configs
}

示例中，線程A負責配置數據初始化工作，初始化完成后線程B開始執行。
實際上，volatile變量initialized扮演者守衛者的角色，它表示前置工作已經完成，依賴這些數據的其他線程可以執行了。
但是，當volatile變量與非volatile變量被編譯器放到一起重新排序時，“守衛者”就形同虛設了。
重排序發生時，可能會使readConfigFile()中某個動作在initialized = true之後執行，
那麼，線程B在看到initialized的值為true后，在使用configs對象時，會讀取到沒有被正確初始化的數據。
這是volatile很典型的應用場景，但是在舊的內存模型中卻不能正確的工作。

JSR 133專家組決定在新的內存模型中，不再允許volatile變量與其他任務內存操作一起重排序。
這意味着，volatile變量之前的內存操作不會在其後執行，volatile變量之後的內存操作不會在其前執行。
volatile變量相當於一個屏障，重排序不能越過對volatile的內存操作。（實際上，jvm確實使用了內存屏障指令）
增強volatile語義的副作用也很明顯，禁止重排序會有一定的性能損失。

8. 修復“double-checked locking”的問題

double-checked locking是單例模式的其中一種實現，它支持懶加載且是線程安全的。
大概長這個樣子：

private static Something instance = null;

public Something getInstance() {
  if (instance == null) {
    synchronized (this) {
      if (instance == null)
        instance = new Something();//
    }
  }
  return instance;
}

它通過兩次檢查巧妙的避開了在公共代碼路徑上使用同步，從而避免了同步所帶來的性能開銷。
它唯一的問題就是——不起作用。為什麼呢？
instance的賦值操作會與SomeThing()構造函數中的變量初始化一起被編譯器或緩存重排序，這可能會導致把未完全初始化的對象引用賦值給instance。
現在很多人知道把instance聲明為volatile可以修復這個問題，但是在舊的內存模型(JDK 1.5之前)中並不可行，原因前面有提到，volatile可以與非volatile字段一起重排序。

儘管，新的內存模型修復了double-checked locking的問題，但仍不鼓勵這種實現方式，因為volatile並不是免費的。
相比之下，Initialization On Demand Holder Class更值得被推薦，
它不僅實現了懶加載和線程安全，還提供了更好的性能和更清晰的代碼邏輯。大概長這個樣子：

public class Something {
    private Something() {}
    //static innner class
    private static class LazyHolder {
        static final Something INSTANCE = new Something(); //static  field
    }

    public static Something getInstance() {
        return LazyHolder.INSTANCE;
    }
}

這種實現完全沒有使用同步工具，而是利用了Java語言規範的兩個基本原則，
其一，JVM保證靜態變量的初始化對所有使用該類的線程立即可見；
其二，內部類首次被使用時才會觸發類的初始化，這實現了懶加載。

9. 為什麼要關心這些問題？

併發問題一般不會在測試環境出現，生成環境的併發問題又不容易復現，這兩個特點使得併發問題通常比較棘手。
所以你最好提前花點時間學習併發知識，以確保寫出正確的併發程序。我知道這很困難，但是應該比排查生產環境的併發問題容易的多。

延伸閱讀

1.JSR 133 (Java Memory Model) FAQ,2004
2.volatile關鍵字
3.Double-checked問題
4.內存屏障和volatile語義
5.修復Java內存模型
6.String substring 在jdk7中會創建新的數組
7.Memory Ordering
8.有MESI協議為什麼還需要volatile?
9.Initialization On Demand Holder Class
10.The JSR-133 Cookbook for Compiler Writers

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