處理器內(nèi)存模型

順序一致性內(nèi)存模型是一個理論參考模型,，JMM和處理器內(nèi)存模型在設(shè)計時通常會把順序一致性內(nèi)存模型作為參照。JMM和處理器內(nèi)存模型在設(shè)計時會對順序一致性模型做一些放松,，因為如果完全按照順序一致性模型來實現(xiàn)處理器和JMM，那么很多的處理器和編譯器優(yōu)化都要被禁止,，這對執(zhí)行性能將會有很大的影響,。

根據(jù)對不同類型讀/寫操作組合的執(zhí)行順序的放松，可以把常見處理器的內(nèi)存模型劃分為下面幾種類型：

1. 放松程序中寫-讀操作的順序,，由此產(chǎn)生了total store ordering內(nèi)存模型（簡稱為TSO）,。
2. 在前面1的基礎(chǔ)上，繼續(xù)放松程序中寫-寫操作的順序,，由此產(chǎn)生了partial store order 內(nèi)存模型（簡稱為PSO）,。
3. 在前面1和2的基礎(chǔ)上，繼續(xù)放松程序中讀-寫和讀-讀操作的順序,，由此產(chǎn)生了relaxed memory order內(nèi)存模型（簡稱為RMO）和PowerPC內(nèi)存模型,。

注意，這里處理器對讀/寫操作的放松,，是以兩個操作之間不存在數(shù)據(jù)依賴性為前提的（因為處理器要遵守as-if-serial語義,，處理器不會對存在數(shù)據(jù)依賴性的兩個內(nèi)存操作做重排序）。

下面的表格展示了常見處理器內(nèi)存模型的細節(jié)特征：

在這個表格中,，我們可以看到所有處理器內(nèi)存模型都允許寫-讀重排序,，原因在第一章以說明過：它們都使用了寫緩存區(qū)，寫緩存區(qū)可能導(dǎo)致寫-讀操作重排序。同時,，我們可以看到這些處理器內(nèi)存模型都允許更早讀到當(dāng)前處理器的寫,，原因同樣是因為寫緩存區(qū)：由于寫緩存區(qū)僅對當(dāng)前處理器可見，這個特性導(dǎo)致當(dāng)前處理器可以比其他處理器先看到臨時保存在自己的寫緩存區(qū)中的寫,。

上面表格中的各種處理器內(nèi)存模型,，從上到下，模型由強變?nèi)?。越是追求性能的處理器,，?nèi)存模型設(shè)計的會越弱。因為這些處理器希望內(nèi)存模型對它們的束縛越少越好,，這樣它們就可以做盡可能多的優(yōu)化來提高性能,。

由于常見的處理器內(nèi)存模型比JMM要弱，java編譯器在生成字節(jié)碼時,，會在執(zhí)行指令序列的適當(dāng)位置插入內(nèi)存屏障來限制處理器的重排序,。同時，由于各種處理器內(nèi)存模型的強弱并不相同,，為了在不同的處理器平臺向程序員展示一個一致的內(nèi)存模型,，JMM在不同的處理器中需要插入的內(nèi)存屏障的數(shù)量和種類也不相同。下圖展示了JMM在不同處理器內(nèi)存模型中需要插入的內(nèi)存屏障的示意圖：

如上圖所示,，JMM屏蔽了不同處理器內(nèi)存模型的差異,，它在不同的處理器平臺之上為java程序員呈現(xiàn)了一個一致的內(nèi)存模型。

JMM,，處理器內(nèi)存模型與順序一致性內(nèi)存模型之間的關(guān)系

JMM是一個語言級的內(nèi)存模型,，處理器內(nèi)存模型是硬件級的內(nèi)存模型，順序一致性內(nèi)存模型是一個理論參考模型,。下面是語言內(nèi)存模型,，處理器內(nèi)存模型和順序一致性內(nèi)存模型的強弱對比示意圖：

從上圖我們可以看出：常見的4種處理器內(nèi)存模型比常用的3中語言內(nèi)存模型要弱，處理器內(nèi)存模型和語言內(nèi)存模型都比順序一致性內(nèi)存模型要弱,。同處理器內(nèi)存模型一樣,，越是追求執(zhí)行性能的語言，內(nèi)存模型設(shè)計的會越弱,。

JMM的設(shè)計

從JMM設(shè)計者的角度來說,，在設(shè)計JMM時，需要考慮兩個關(guān)鍵因素：

• 程序員對內(nèi)存模型的使用,。程序員希望內(nèi)存模型易于理解,，易于編程。程序員希望基于一個強內(nèi)存模型來編寫代碼,。
• 編譯器和處理器對內(nèi)存模型的實現(xiàn),。編譯器和處理器希望內(nèi)存模型對它們的束縛越少越好，這樣它們就可以做盡可能多的優(yōu)化來提高性能。編譯器和處理器希望實現(xiàn)一個弱內(nèi)存模型,。

由于這兩個因素互相矛盾,，所以JSR-133專家組在設(shè)計JMM時的核心目標(biāo)就是找到一個好的平衡點：一方面要為程序員提供足夠強的內(nèi)存可見性保證；另一方面,，對編譯器和處理器的限制要盡可能的放松,。下面讓我們看看JSR-133是如何實現(xiàn)這一目標(biāo)的。

為了具體說明,，請看前面提到過的計算圓面積的示例代碼：

double pi  = 3.14;    //A
double r   = 1.0;     //B
double area = pi * r * r; //C

上面計算圓的面積的示例代碼存在三個happens- before關(guān)系：

1. A happens- before B,；
2. B happens- before C；
3. A happens- before C,；

由于A happens- before B,，happens- before的定義會要求：A操作執(zhí)行的結(jié)果要對B可見，且A操作的執(zhí)行順序排在B操作之前,。 但是從程序語義的角度來說,，對A和B做重排序即不會改變程序的執(zhí)行結(jié)果，也還能提高程序的執(zhí)行性能（允許這種重排序減少了對編譯器和處理器優(yōu)化的束縛）,。也就是說,，上面這3個happens- before關(guān)系中，雖然2和3是必需要的,，但1是不必要的,。因此，JMM把happens- before要求禁止的重排序分為了下面兩類：

• 會改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序,。
• 不會改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序,。

JMM對這兩種不同性質(zhì)的重排序，采取了不同的策略：

• 對于會改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序,，JMM要求編譯器和處理器必須禁止這種重排序。
• 對于不會改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序,，JMM對編譯器和處理器不作要求（JMM允許這種重排序）,。

下面是JMM的設(shè)計示意圖：

從上圖可以看出兩點：

• JMM向程序員提供的happens- before規(guī)則能滿足程序員的需求。JMM的happens- before規(guī)則不但簡單易懂,，而且也向程序員提供了足夠強的內(nèi)存可見性保證（有些內(nèi)存可見性保證其實并不一定真實存在,，比如上面的A happens- before B）。
• JMM對編譯器和處理器的束縛已經(jīng)盡可能的少,。從上面的分析我們可以看出,，JMM其實是在遵循一個基本原則：只要不改變程序的執(zhí)行結(jié)果（指的是單線程程序和正確同步的多線程程序），編譯器和處理器怎么優(yōu)化都行,。比如,，如果編譯器經(jīng)過細致的分析后，認定一個鎖只會被單個線程訪問，那么這個鎖可以被消除,。再比如,，如果編譯器經(jīng)過細致的分析后，認定一個volatile變量僅僅只會被單個線程訪問,，那么編譯器可以把這個volatile變量當(dāng)作一個普通變量來對待,。這些優(yōu)化既不會改變程序的執(zhí)行結(jié)果，又能提高程序的執(zhí)行效率,。

JMM的內(nèi)存可見性保證

Java程序的內(nèi)存可見性保證按程序類型可以分為下列三類：

1. 單線程程序,。單線程程序不會出現(xiàn)內(nèi)存可見性問題。編譯器,，runtime和處理器會共同確保單線程程序的執(zhí)行結(jié)果與該程序在順序一致性模型中的執(zhí)行結(jié)果相同,。
2. 正確同步的多線程程序。正確同步的多線程程序的執(zhí)行將具有順序一致性（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）,。這是JMM關(guān)注的重點,，JMM通過限制編譯器和處理器的重排序來為程序員提供內(nèi)存可見性保證。
3. 未同步/未正確同步的多線程程序,。JMM為它們提供了最小安全性保障：線程執(zhí)行時讀取到的值,，要么是之前某個線程寫入的值，要么是默認值（0,，null,，false）。

下圖展示了這三類程序在JMM中與在順序一致性內(nèi)存模型中的執(zhí)行結(jié)果的異同：

只要多線程程序是正確同步的,，JMM保證該程序在任意的處理器平臺上的執(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)果一致。

JSR-133對舊內(nèi)存模型的修補

JSR-133對JDK5之前的舊內(nèi)存模型的修補主要有兩個：

• 增強volatile的內(nèi)存語義,。舊內(nèi)存模型允許volatile變量與普通變量重排序,。JSR-133嚴格限制volatile變量與普通變量的重排序，使volatile的寫-讀和鎖的釋放-獲取具有相同的內(nèi)存語義,。
• 增強final的內(nèi)存語義,。在舊內(nèi)存模型中，多次讀取同一個final變量的值可能會不相同,。為此,，JSR-133為final增加了兩個重排序規(guī)則。現(xiàn)在,，final具有了初始化安全性,。

參考文獻

1. Computer Architecture: A Quantitative Approach, 4th Edition
2. Shared memory consistency models: A tutorial
3. Intel? Itanium? Architecture Software Developer’s Manual Volume 2: System Architecture
4. Concurrent Programming on Windows
5. JSR 133 (Java Memory Model) FAQ
6. The JSR-133 Cookbook for Compiler Writers
7. Java theory and practice: Fixing the Java Memory Model, Part 2

關(guān)于作者

程曉明，Java軟件工程師,，國家認證的系統(tǒng)分析師,、信息項目管理師,。專注于并發(fā)編程，就職于富士通南大,。