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Java并发编程中的内存模型（JMM）与处理器缓存一致性协议（MESI）

Java并发编程中的内存模型（JMM）与处理器缓存一致性协议（MESI）

大家好，今天我们来深入探讨Java并发编程中两个至关重要的概念：Java内存模型（JMM）以及处理器缓存一致性协议，特别是MESI协议。理解它们对于编写正确且高效的并发程序至关重要。

一、并发编程的挑战：可见性、原子性和有序性

在单线程程序中，代码按照我们编写的顺序执行，数据存储在内存中，我们可以放心地访问和修改这些数据。然而，在多线程环境下，事情变得复杂起来，我们面临着三个主要挑战：

  • 可见性（Visibility）： 当多个线程并发访问共享变量时，一个线程对共享变量的修改，其他线程未必能立即看到。这是因为每个线程都有自己的工作内存，共享变量的值可能被缓存在工作内存中，而不是直接从主内存读取。

  • 原子性（Atomicity）： 一个操作是原子的，意味着它要么完全执行成功，要么完全不执行。在多线程环境下，看似简单的操作，例如i++，实际上包含了多个步骤（读取i的值，加1，将结果写回i），这些步骤可能被其他线程打断，导致最终结果错误。

  • 有序性（Ordering）： 为了优化性能，编译器和处理器可能会对指令进行重排序。在单线程环境下，重排序不会影响程序的执行结果。但在多线程环境下，重排序可能导致程序执行顺序与我们期望的不一致，从而产生意想不到的错误。

二、Java内存模型（JMM）：规范并发行为

Java内存模型（JMM）是Java虚拟机规范的一部分，它定义了Java程序中各种变量（线程共享变量）的访问规则，以及在并发环境下对内存的读写操作的抽象。JMM并不是一种实际存在的内存结构，而是一种抽象的概念模型，它描述了Java程序中线程如何与内存交互。

2.1 JMM的主要组成部分

JMM主要包含以下几个关键概念：

  • 主内存（Main Memory）： 所有线程共享的内存区域，存储着所有的变量。

  • 工作内存（Working Memory）： 每个线程独有的内存区域，存储着主内存中变量的副本。线程只能直接操作自己的工作内存，不能直接访问主内存。

  • 原子操作： JMM定义了一组原子操作，用于在主内存和工作内存之间传递数据，包括 read、load、use、assign、store、write。这些操作保证了变量的读取和写入是原子性的。

2.2 JMM的运行机制

线程在访问共享变量时，遵循以下步骤：

  1. 从主内存中将变量的值复制到自己的工作内存中（read 和 load 操作）。
  2. 在自己的工作内存中对变量进行操作（use 和 assign 操作）。
  3. 将工作内存中变量的值写回主内存（store 和 write 操作）。

由于线程只能操作自己的工作内存，因此线程之间的通信必须通过主内存来实现。一个线程修改了共享变量的值，必须先将修改后的值写回主内存，另一个线程才能从主内存中读取到最新的值。

2.3 JMM与可见性

JMM通过volatile关键字来保证可见性。当一个变量被声明为volatile时，JMM会强制线程在每次使用该变量时，都从主内存中读取其最新的值；并且在每次修改该变量后，都立即将其写回主内存。这样，就能确保所有线程都能看到该变量的最新值。

public class VolatileExample {
    private volatile int x = 0;
    private int y = 0;

    public void writer() {
        x = 42; // 写volatile变量
        y = 13; // 写普通变量
    }

    public void reader() {
        int a = x; // 读volatile变量
        int b = y; // 读普通变量
        // ...
    }
}

在上面的例子中，线程A执行writer()方法，线程B执行reader()方法。由于x是volatile变量，所以线程A修改x的值后，会立即写回主内存。当线程B读取x的值时，会从主内存中读取最新的值。但是，y是普通变量，线程A修改y的值后，可能不会立即写回主内存，因此线程B读取到的y的值可能是过期的。

2.4 JMM与原子性

JMM通过synchronized关键字和java.util.concurrent.atomic包中的原子类来保证原子性。

  • synchronized： synchronized关键字可以用来修饰方法或代码块，保证在同一时刻只有一个线程可以访问被synchronized修饰的代码。synchronized通过锁机制来实现原子性，即在执行被synchronized修饰的代码之前，线程必须先获取锁；执行完毕后，释放锁。
public class SynchronizedExample {
    private int count = 0;

    public synchronized void increment() {
        count++;
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

在上面的例子中，increment()方法被synchronized修饰，因此在同一时刻只有一个线程可以执行该方法，从而保证了count++操作的原子性。

  • 原子类： java.util.concurrent.atomic包中提供了一系列原子类，例如AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等。这些原子类提供了原子性的操作，例如incrementAndGet()、decrementAndGet()、compareAndSet()等，可以用来实现线程安全的计数器、累加器等。
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class AtomicIntegerExample {
    private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public void increment() {
        count.incrementAndGet();
    }

    public int getCount() {
        return count.get();
    }
}

在上面的例子中，count是一个AtomicInteger对象，incrementAndGet()方法可以原子性地将count的值加1。

2.5 JMM与有序性

JMM通过volatile关键字和synchronized关键字来保证有序性。

  • volatile： volatile关键字不仅可以保证可见性，还可以禁止指令重排序。当一个变量被声明为volatile时，编译器和处理器都不会对该变量相关的指令进行重排序。

  • synchronized： synchronized关键字也可以保证有序性。当一个线程进入synchronized修饰的代码块时，会建立happens-before关系，保证在该代码块之前的操作一定发生在之后的代码块之前。

2.6 Happens-Before原则

JMM定义了一系列的happens-before规则，用于描述两个操作之间的可见性顺序。如果一个操作happens-before另一个操作，那么第一个操作的结果对于第二个操作是可见的。JMM定义了以下happens-before规则：

  1. 程序顺序规则： 在一个线程中，按照程序代码的顺序，书写在前面的操作happens-before书写在后面的操作。

  2. 管程锁定规则： 对一个锁的解锁happens-before于后续对这个锁的加锁。

  3. volatile变量规则： 对一个volatile变量的写操作happens-before于后续对这个变量的读操作。

  4. 线程启动规则： 线程的start()方法happens-before于该线程中的任何操作。

  5. 线程终止规则： 线程的所有操作happens-before于该线程的终止。

  6. 线程中断规则： 对线程interrupt()方法的调用happens-before于被中断线程的代码检测到中断事件的发生。

  7. 对象finalize规则： 一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）happens-before于finalize()方法的开始。

  8. 传递性： 如果A happens-before B，B happens-before C，那么A happens-before C。

三、处理器缓存一致性协议：保证缓存数据的一致性

由于CPU的运算速度远快于内存的访问速度，为了提高CPU的利用率，现代CPU都采用了多级缓存结构。每个CPU核心都有自己的L1、L2缓存，以及共享的L3缓存。当多个CPU核心同时访问同一个共享变量时，就会出现缓存一致性问题。

处理器缓存一致性协议是一种用于保证多个CPU核心缓存数据一致性的协议。其中，MESI协议是最常用的缓存一致性协议之一。

3.1 MESI协议的核心思想

MESI协议是一种基于状态的缓存一致性协议，它为每个缓存行定义了四种状态：

  • Modified（M）： 修改态，该缓存行的数据已被修改，与主内存中的数据不一致，并且只有当前CPU核心拥有该缓存行的独占权限。当CPU核心要修改该缓存行的数据时，必须先将其状态转换为Modified。

  • Exclusive（E）： 独占态，该缓存行的数据与主内存中的数据一致，并且只有当前CPU核心拥有该缓存行的独占权限。当CPU核心要读取该缓存行的数据时，如果其他CPU核心没有该缓存行的副本，则可以将该缓存行状态转换为Exclusive。

  • Shared（S）： 共享态，该缓存行的数据与主内存中的数据一致，并且多个CPU核心可以同时拥有该缓存行的副本。当CPU核心要读取该缓存行的数据时，如果其他CPU核心也拥有该缓存行的副本，则可以将该缓存行状态转换为Shared。

  • Invalid（I）： 无效态，该缓存行的数据无效。当CPU核心要读取该缓存行的数据时，如果该缓存行的状态为Invalid，则必须从主内存中重新加载数据。

3.2 MESI协议的工作流程

MESI协议通过监听总线上的消息来实现缓存一致性。当一个CPU核心要对一个缓存行进行操作时，它会向总线上发送一个消息，其他CPU核心会根据该消息和自身缓存行的状态来做出相应的反应。

以下是一些常见的操作和对应的MESI协议的处理流程：

  • CPU核心读取一个缓存行：

    1. 如果该缓存行的状态为Modified或Exclusive，则直接从缓存中读取数据。
    2. 如果该缓存行的状态为Shared，则直接从缓存中读取数据。
    3. 如果该缓存行的状态为Invalid，则向总线上发送一个读消息，从主内存中加载数据，并将缓存行的状态转换为Exclusive或Shared。

  • CPU核心写入一个缓存行：

    1. 如果该缓存行的状态为Modified，则直接修改缓存中的数据。
    2. 如果该缓存行的状态为Exclusive，则直接修改缓存中的数据，并将缓存行的状态保持为Modified。
    3. 如果该缓存行的状态为Shared，则向总线上发送一个失效消息，通知其他CPU核心将该缓存行的副本设置为Invalid，并将缓存行的状态转换为Modified。
    4. 如果该缓存行的状态为Invalid，则向总线上发送一个读消息，从主内存中加载数据，并将缓存行的状态转换为Modified。

3.3 MESI协议的状态转换图

状态 CPU读 CPU写 其他CPU读 其他CPU写
Modified 缓存命中，读取缓存 缓存命中，直接修改缓存 将数据写回主内存，切换到Shared状态，并提供数据给其他CPU 将数据写回主内存，切换到Invalid状态
Exclusive 缓存命中，读取缓存 缓存命中，修改缓存并切换到Modified状态 切换到Shared状态，并提供数据给其他CPU 切换到Invalid状态
Shared 缓存命中，读取缓存 发送失效消息（Invalidate），获取独占权，切换到Modified状态 保持Shared状态，不提供数据，其他CPU可能从主内存或其他拥有Shared状态的CPU获取数据 收到失效消息，切换到Invalid状态
Invalid 缓存未命中，从主内存读取 发送读取消息（Read），获取独占权，从主内存读取数据，切换到Modified状态 发送读取消息（Read），从主内存或其他拥有数据的CPU获取数据，切换到Shared状态 收到失效消息，保持Invalid状态

3.4 MESI协议的优化

MESI协议虽然可以保证缓存一致性，但也存在一些性能问题，例如：

  • 写竞争： 当多个CPU核心同时要修改同一个缓存行时，会发生写竞争，导致大量的失效消息在总线上广播，降低性能。

  • 伪共享： 当多个线程访问不同的变量，但这些变量位于同一个缓存行时，也会发生伪共享，导致不必要的缓存失效。

为了解决这些问题，可以采用以下一些优化措施：

  • 填充： 在变量之间填充一些无用的数据，使得每个变量都位于不同的缓存行，避免伪共享。
public class PaddingExample {
    private static class PaddedLong {
        public volatile long value = 0L;
        public long p1, p2, p3, p4, p5, p6; // 填充字段
    }

    private static PaddedLong[] paddedLongs = new PaddedLong[2];

    static {
        paddedLongs[0] = new PaddedLong();
        paddedLongs[1] = new PaddedLong();
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
                paddedLongs[0].value++;
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
                paddedLongs[1].value++;
            }
        });

        long start = System.nanoTime();
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        long end = System.nanoTime();

        System.out.println("Time taken: " + (end - start) / 1000000 + "ms");
    }
}
  • 使用@Contended注解： 在Java 8中，可以使用@Contended注解来强制将一个变量放入不同的缓存行。需要开启JVM参数 -XX:-RestrictContended。
import sun.misc.Contended;

public class ContendedExample {
    @Contended
    private volatile long value = 0L;

    public long getValue() {
        return value;
    }

    public void setValue(long value) {
        this.value = value;
    }
}

四、JMM与MESI的联系

JMM和MESI协议是两个不同层次的概念，但它们之间存在密切的联系。JMM是Java虚拟机规范的一部分，它定义了Java程序中线程如何与内存交互。MESI协议是一种硬件级别的缓存一致性协议，它用于保证多个CPU核心缓存数据的一致性。

JMM的实现依赖于底层的硬件支持，包括处理器缓存和缓存一致性协议。JMM通过volatile、synchronized等关键字来控制线程对共享变量的访问，从而保证可见性、原子性和有序性。而这些关键字的实现，最终都会依赖于底层的MESI协议来保证缓存一致性。

例如，当一个变量被声明为volatile时，JMM会强制线程在每次使用该变量时，都从主内存中读取其最新的值；并且在每次修改该变量后，都立即将其写回主内存。这个过程实际上会触发MESI协议中的一系列操作，例如从主内存中加载数据、发送失效消息等，从而保证所有线程都能看到该变量的最新值。

五、总结与思考

今天我们深入探讨了Java并发编程中的Java内存模型（JMM）和处理器缓存一致性协议（MESI）。理解这些概念对于编写高性能的并发代码至关重要。JMM规范了Java程序中线程如何与内存交互，而MESI协议则确保了多核CPU缓存之间的数据一致性。在实际开发中，我们需要根据具体情况选择合适的并发工具和技术，避免出现可见性、原子性和有序性问题。

六、一些建议

  • 深入理解JMM和MESI协议的原理，可以帮助我们更好地理解并发编程中的各种问题。
  • 在编写并发程序时，要时刻注意可见性、原子性和有序性问题，并采取相应的措施来解决这些问题。
  • 合理使用volatile、synchronized等关键字，可以帮助我们编写更加安全和高效的并发程序。
  • 了解缓存一致性协议的优化措施，可以帮助我们提高并发程序的性能。

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