1. 你知道JVM內(nèi)存模型嗎？

在Java的并發(fā)中采用的就是JVM內(nèi)存共享模型即JMM（Java Memory Model），它其實是是JVM規(guī)范中所定義的一種內(nèi)存模型，跟計算機的CPU緩存內(nèi)存模型類似，是基于CPU緩存內(nèi)存模型來建立的，Java內(nèi)存模型是標準化的，屏蔽掉了底層不同計算機的區(qū)別。

那我們先來講下計算機的內(nèi)存模型：

其實早期計算機中CPU和內(nèi)存的速度是差不多的，但在現(xiàn)代計算機中，CPU的指令速度遠超內(nèi)存的存取速度，由于計算機的存儲設(shè)備與處理器的運算速度有幾個數(shù)量級的差距，所以現(xiàn)代計算機系統(tǒng)都不得不加入一層讀寫速度盡可能接近處理器運算速度的高速緩存（Cache）來作為內(nèi)存與處理器之間的緩沖。

將運算需要使用到的數(shù)據(jù)復制到緩存中，讓運算能快速進行，當運算結(jié)束后再從緩存同步回內(nèi)存之中，這樣處理器就無須等待緩慢的內(nèi)存讀寫了。

基于高速緩存的存儲交互很好地解決了處理器與內(nèi)存的速度矛盾，但是也為計算機系統(tǒng)帶來更高的復雜度，因為它引入了一個新的問題：緩存一致性（CacheCoherence）。

在多處理器系統(tǒng)中，每個處理器都有自己的高速緩存，而它們又共享同一主內(nèi)存（MainMemory）。

而我們可以打開任務(wù)管理器，可以進入性能 --> CPU中可以看到L1緩存、L2緩存和L3緩存。

可以看到我們CPU跟我們計算機之間交互的高速緩存。一般的流程，就是計算機會先從硬盤從讀取數(shù)據(jù)到主內(nèi)存中，又會從主內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)到高速緩存中，而CPU讀取的數(shù)據(jù)就是高速緩存中的數(shù)。

我們現(xiàn)在再來看看JMM：

JMM是定義了線程和主內(nèi)存之間的抽象關(guān)系：線程之間的共享變量存在主內(nèi)存（MainMemory）中，每個線程都有一個私有的本地內(nèi)存（LocalMemory）即共享變量副本，本地內(nèi)存中存儲了該線程以讀、寫共享變量的副本。本地內(nèi)存是Java內(nèi)存模型的一個抽象概念，并不真實存在。它涵蓋了緩存、寫緩沖區(qū)、寄存器等。

JMM模型圖：

我們可以發(fā)現(xiàn)在JMM模型中：

• 所有的共享變量都存在主內(nèi)存中。
• 每個線程都保存了一份該線程使用到的共享變量的副本。
• 線程A是無法直接訪問到線程B的本地內(nèi)存的，只能訪問主內(nèi)存。線
• 程對共享變量的所有操作都必須在自己的本地內(nèi)存中進行，不能直接從主內(nèi)存中讀取。
• 并發(fā)的三要素：可見性、原子性、有序性，而JMM就主要體現(xiàn)在這三方面。

注意 ：因為線程之間無法相互訪問，而一旦某個線程將共享變量進行修改，而線程B是無法發(fā)現(xiàn)到這個更新值的，所以可能會出現(xiàn)可見性問題。而這里的可見性問題就是一個線程對共享變量的修改,另一個線程能夠立刻看到，但此時無法看到更新后的內(nèi)存，因為訪問的是自己的共享變量副本。

解決方案有

1. 加鎖，加synchronized、Lock，保存一個線程只能等另一個線程結(jié)束后才能再訪問變量。
2. 對共享變量加上volatile關(guān)鍵字，保證了這個變量是可見的。

2. 你知道重排序是什么嗎？

重排序是指計算機在執(zhí)行程序時，為了提高性能，編譯器和處理器常常會對指令做重排。

首先我們來看看為什么指令重排序可以提高性能？

每一個指令都會包含多個步驟，每個步驟可能使用不同的硬件，而現(xiàn)代處理器會設(shè)計為一個時鐘周期完成一條執(zhí)行時間最長的指令，為什么會這樣呢？

主要原理就是可以指令1還沒有執(zhí)行完，就可以開始執(zhí)行指令2，而不用等到指令1執(zhí)行結(jié)束之后再執(zhí)行指令2，這樣就大大提高了效率。

例如：每條指令拆分為五個階段：

想這樣如果是按順序串行執(zhí)行指令，那可能相對比較慢，因為需要等待上一條指令完成后，才能等待下一步執(zhí)行：

而如果發(fā)生指令重排序呢，實際上雖然不能縮短單條指令的執(zhí)行時間，但是它變相地提高了指令的吞吐量，可以在一個時鐘周期內(nèi)同時運行五條指令的不同階段。

我們來分析下代碼的執(zhí)行情況，并思考下：

a = b + c;

d = e - f ;

按原先的思路，會先加載b和c，再進行b+c操作賦值給a，接下來就會加載e和f，最后就是進行e-f操作賦值給d。

這里有什么優(yōu)化的空間呢？我們在執(zhí)行b+c操作賦值給a時，可能需要等待b和c加載結(jié)束，才能再進行一個求和操作，所以這里可能出現(xiàn)了一個停頓等待時間，依次后面的代碼也可能會出現(xiàn)停頓等待時間，這降低了計算機的執(zhí)行效率。

為了去減少這個停頓等待時間，我們可以先加載e和f，然后再去b+c操作賦值給a，這樣做對程序（串行）是沒有影響的，但卻減少了停頓等待時間。既然b+c操作賦值給a需要停頓等待時間，那還不如去做一些有意義的事情。

總結(jié)：指令重排對于提高CPU處理性能十分必要。雖然由此帶來了亂序的問題，但是這點犧牲是值得的。

重排序的類型有以下幾種：

指令重排一般分為以下三種：

• 編譯器優(yōu)化重排

編譯器在不改變單線程程序語義的前提下，可以重新安排語句的執(zhí)行順序。

• 指令并行重排

現(xiàn)代處理器采用了指令級并行技術(shù)來將多條指令重疊執(zhí)行。如果不存在數(shù)據(jù)依賴性(即后一個執(zhí)行的語句無需依賴前面執(zhí)行的語句的結(jié)果)，處理器可以改變語句對應(yīng)的機器指令的執(zhí)行順序。

• 內(nèi)存系統(tǒng)重排

由于處理器使用緩存和讀寫緩存沖區(qū)，這使得加載(load)和存儲(store)操作看上去可能是在亂序執(zhí)行，因為三級緩存的存在，導致內(nèi)存與緩存的數(shù)據(jù)同步存在時間差。

而在重排序中還需要一個概念的東西：as-if-serial

不管如何重排序，都必須保證代碼在單線程下的運行正確，連單線程下都無法正確，更不用討論多線程并發(fā)的情況，所以就提出了一個as-if-serial的概念。

as-if-serial語義的意思是：

• 不管怎么重排序，程序的執(zhí)行結(jié)果不能被改變。編譯器、runtime和處理器都必須遵守as-if-serial語義。
• 為了遵守as-if-serial語義，編譯器和處理器不會對存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的操作做重排序，因為這種重排序會改變執(zhí)行結(jié)果。（強調(diào)一下，這里所說的數(shù)據(jù)依賴性僅針對單個處理器中執(zhí)行的指令序列和單個線程中執(zhí)行的操作，不同處理器之間和不同線程之間的數(shù)據(jù)依賴性不被編譯器和處理器考慮）。但是，如果操作之間不存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，這些操作依然可能被編譯器和處理器重排序。

3. happens-before是什么，和as-if-serial有什么區(qū)別

happens-before的概念：

一方面，程序員需要JMM提供一個強的內(nèi)存模型來編寫代碼；另一方面，編譯器和處理器希望JMM對它們的束縛越少越好，這樣它們就可以最可能多的做優(yōu)化來提高性能，希望的是一個弱的內(nèi)存模型。

JMM考慮了這兩種需求，并且找到了平衡點，對編譯器和處理器來說，只要不改變程序的執(zhí)行結(jié)果（單線程程序和正確同步了的多線程程序），編譯器和處理器怎么優(yōu)化都行。

而對于程序員，JMM提供了happens-before規(guī)則（JSR-133規(guī)范），在JMM中，如果一個線程執(zhí)行的結(jié)果需要對另一個操作進行可見，那么這兩個操作直接必須存在happens-before關(guān)系。

JMM使用happens-before的概念來定制兩個操作之間的執(zhí)行順序。這并不意味著前一個操作必須要在后一個操作之前執(zhí)行！happens-before僅僅要求前一個操作（執(zhí)行的結(jié)果）對后一個操作可見，且前一個操作按順序排在第二個操作之前 。

happens-before關(guān)系的定義如下：

• 如果一個操作happens-before另一個操作，那么第一個操作的執(zhí)行結(jié)果將對第二個操作可見，而且第一個操作的執(zhí)行順序排在第二個操作之前。
• 兩個操作之間存在happens-before關(guān)系，并不意味著Java平臺的具體實現(xiàn)必須要按照happens-before關(guān)系指定的順序來執(zhí)行。如果重排序之后的執(zhí)行結(jié)果，與按happens-before關(guān)系來執(zhí)行的結(jié)果一致，那么JMM也允許這樣的重排序。
• happens-before關(guān)系保證正確同步的多線程程序的執(zhí)行結(jié)果不被重排序改變。

在Java中，有以下天然的Happens-Before規(guī)則：

• 程序順序規(guī)則：一個線程中的每一個操作，happens-before于該線程中的任意后續(xù)操作。
• 監(jiān)視器鎖規(guī)則：對一個鎖的解鎖，happens-before于隨后對這個鎖的加鎖。
• volatile變量規(guī)則：對一個volatile域的寫，happens-before于任意后續(xù)對這個volatile域的讀。
• 傳遞性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。
• start規(guī)則：如果線程A執(zhí)行操作ThreadB.start()啟動線程B，那么A線程的ThreadB.start()操作happens-before于線程B中的任意操作、
• join規(guī)則：如果線程A執(zhí)行操作ThreadB.join()并成功返回，那么線程B中的任意操作happens-before于線程A從ThreadB.join()操作成功返回。
• 線程中斷規(guī)則：對線程interrupt()方法的調(diào)用happens-before于被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發(fā)生。

Happens-Before和as-if-serial的關(guān)系實質(zhì)上是一回事。

• as-if-serial語義保證單線程內(nèi)重排序后的執(zhí)行結(jié)果和程序代碼本身應(yīng)有的結(jié)果是一致的，happens-before關(guān)系保證正確同步的多線程程序的執(zhí)行結(jié)果不被重排序改變。
• as-if-serial語義和happens-before這么做的目的，都是為了在不改變程序執(zhí)行結(jié)果的前提下，盡可能地提高程序執(zhí)行的并行度。

總結(jié)

這篇文章就到這里了，如果這篇文章對你也有所幫助，希望您能多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容！

最新評論