JAVA内存模型JMM在并发场景下指令重排导致异常行为分析

Java内存模型(JMM)与指令重排：并发场景下的异常行为分析

各位朋友，大家好！今天我们来聊聊Java并发编程中一个非常重要的概念：Java内存模型（JMM）以及它与指令重排之间的关系，重点分析在并发场景下指令重排可能导致的异常行为。希望通过本次分享，能帮助大家更深入地理解并发编程中的一些底层机制，写出更健壮、更可靠的多线程程序。

1. 什么是Java内存模型(JMM)？

JMM并非指实际存在的物理内存，而是一个抽象的概念。它定义了程序中各个变量（包括实例字段、静态字段和数组元素）的访问方式，以及在多线程环境下对这些变量的读写操作如何进行同步和交互的规范。

核心要点：

• 主内存（Main Memory）： 所有变量都存储在主内存中，可以理解为共享内存区域。
• 工作内存（Working Memory）： 每个线程都有自己的工作内存，用于存储该线程需要使用的变量的副本。线程不能直接访问主内存中的变量，只能操作自己工作内存中的副本。
• 内存交互操作： 线程对变量的所有操作（读取、赋值）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。线程之间变量值的传递需要通过主内存来完成。JMM定义了一组规则，用于描述如何将变量从主内存拷贝到工作内存，以及如何将工作内存中的变量同步回主内存。这些规则包括：
  • read: 作用于主内存的变量，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中，供后面的load动作使用
  • load: 作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中
  • use: 作用于工作内存的变量，线程执行代码的时候，当需要用到工作内存中变量的值，就使用这个动作从工作内存中获取变量的值
  • assign: 作用于工作内存的变量，线程执行代码的时候，当需要给工作内存中变量赋值，就使用这个动作把新的值放入工作内存中
  • store: 作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传送到主内存中，供后面的write动作使用
  • write: 作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中
  • lock: 作用于主内存的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态
  • unlock: 作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定

JMM的作用：

• 屏蔽硬件和操作系统的差异： JMM定义了一套统一的内存访问规则，使得Java程序可以在不同的硬件和操作系统上运行，而不需要考虑底层内存模型的差异。
• 保证并发程序的正确性： JMM通过定义可见性、原子性和有序性等概念，来保证并发程序在多线程环境下的正确执行。

2. 指令重排是什么？为什么会发生？

指令重排是指编译器和处理器为了优化程序的执行效率，在不改变单线程程序语义的前提下，对指令的执行顺序进行调整的优化措施。

为什么会发生指令重排？

• 编译器优化： 编译器在编译代码时，会对指令进行优化，例如调整指令的顺序、删除冗余指令等，以提高程序的执行效率。
• 处理器优化： 处理器在执行指令时，也会对指令进行优化，例如乱序执行、分支预测等，以提高处理器的利用率。

举例说明：

假设有以下代码：

int a = 1;
int b = 2;
int c = a + b;

编译器或处理器可能会将指令重排为：

int b = 2;
int a = 1;
int c = a + b;

在单线程环境下，这种重排不会影响程序的执行结果，因为c的值仍然是3。

3. 指令重排在并发场景下的问题

在单线程环境下，指令重排通常不会带来问题，因为程序最终的执行结果是一致的。但是在多线程环境下，指令重排可能会导致意想不到的异常行为，例如数据不一致、程序崩溃等。

3.1 可见性问题

考虑以下代码：

public class ReorderingExample {
    private static int x = 0;
    private static int y = 0;
    private static int a = 0;
    private static int b = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            x = 0;
            y = 0;
            a = 0;
            b = 0;
            Thread one = new Thread(() -> {
                a = 1;
                x = b;
            });

            Thread other = new Thread(() -> {
                b = 1;
                y = a;
            });

            one.start();
            other.start();
            one.join();
            other.join();

            String result = "x=" + x + ", y=" + y;
            if (x == 0 && y == 0) {
                System.err.println("Reordering occurred: " + result);
            }
        }
    }
}

在理想情况下，我们期望的结果只有三种：

• x=1, y=0 (线程one先执行)
• x=0, y=1 (线程other先执行)
• x=1, y=1 (两个线程交替执行)

但是，由于指令重排，可能出现x=0, y=0的情况。

原因分析：

• 线程one可能先执行a = 1，然后由于指令重排，先执行x = b，此时b的值还没有被线程other修改，所以x的值为0。
• 类似地，线程other可能先执行b = 1，然后由于指令重排，先执行y = a，此时a的值还没有被线程one修改，所以y的值为0。

解决方法：

使用volatile关键字来保证变量的可见性，禁止指令重排。

public class ReorderingExample {
    private volatile static int x = 0;
    private volatile static int y = 0;
    private volatile static int a = 0;
    private volatile static int b = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // ... (same as before)
    }
}

3.2 DCL(Double-Checked Locking)单例模式的问题

DCL是一种常用的单例模式实现方式，但是由于指令重排，DCL可能存在线程安全问题。

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

问题分析：

instance = new Singleton(); 这行代码实际上包含了三个步骤：

1. 分配内存空间。
2. 初始化Singleton对象。
3. 将instance指向分配的内存空间。

由于指令重排，可能发生以下情况：

1. 分配内存空间。
2. 将instance指向分配的内存空间（此时instance不为null，但对象尚未初始化）。
3. 初始化Singleton对象。

如果此时另一个线程调用getInstance()方法，它会发现instance不为null，直接返回instance，但是此时instance指向的对象尚未初始化，导致程序出错。

解决方法：

使用volatile关键字来禁止指令重排。

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance;

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

3.3 其他可能的问题

除了可见性和DCL问题，指令重排还可能导致其他的并发问题，例如：

• 死锁： 指令重排可能改变锁的获取顺序，导致死锁。
• 数据竞争： 指令重排可能导致多个线程同时访问和修改共享变量，导致数据竞争。
• 程序崩溃： 指令重排可能导致程序执行到错误的代码路径，导致程序崩溃。

4. 如何避免指令重排带来的问题？

为了避免指令重排带来的问题，我们可以采取以下措施：

• 使用volatile关键字： volatile关键字可以保证变量的可见性和有序性，禁止指令重排。
• 使用synchronized关键字： synchronized关键字可以保证代码块的原子性、可见性和有序性，禁止指令重排。
• 使用final关键字： final关键字可以保证对象的不可变性，防止指令重排导致对象状态不一致。
• 使用happens-before原则： happens-before原则是JMM定义的一组规则，用于描述两个操作之间的happens-before关系。如果一个操作happens-before另一个操作，那么第一个操作的结果对第二个操作可见，并且第一个操作的执行顺序在第二个操作之前。

4.1 happens-before原则详解

happens-before原则是JMM的核心概念，它定义了Java内存模型中两个操作之间的可见性关系。如果一个操作happens-before另一个操作，则第一个操作的执行结果对于第二个操作是可见的。

以下是一些常见的happens-before关系：

• 程序顺序规则： 在一个线程中，按照代码的顺序，前面的操作happens-before后面的操作。
• 管程锁定规则： 对一个锁的解锁happens-before后续对这个锁的加锁。
• volatile变量规则： 对一个volatile变量的写操作happens-before后续对这个volatile变量的读操作。
• 线程启动规则： Thread.start()方法happens-before该线程中的任何操作。
• 线程终止规则： 线程中的所有操作happens-before该线程的终止。
• 线程中断规则： 对线程interrupt()方法的调用happens-before被中断线程检测到中断事件的发生。
• 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该对象的finalize()方法的开始。
• 传递性： 如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。

理解happens-before原则对于编写正确的并发程序至关重要。我们可以利用这些规则来推断程序的执行顺序和可见性，从而避免指令重排带来的问题。

示例：

int a = 0;
volatile boolean flag = false;

// 线程A
a = 1;
flag = true;

// 线程B
if (flag) {
    int i = a;
    // ...
}

根据volatile变量规则，对flag的写操作happens-before对flag的读操作。
根据程序顺序规则，a = 1 happens-before flag = true。
根据传递性，a = 1 happens-before if (flag)。

因此，线程B在读取flag的值为true时，一定能看到a的值为1。

4.2 总结：volatile, synchronized, final 的作用

关键字	作用
volatile	保证变量的可见性。一个线程修改了volatile变量的值，其他线程可以立即看到最新的值。禁止指令重排，确保特定操作的顺序性。
synchronized	提供互斥访问，保证代码块的原子性。确保变量的可见性，进入synchronized块时，线程会从主内存中刷新变量的值；退出synchronized块时，线程会将修改后的变量值写回主内存。禁止指令重排，保证临界区代码的顺序执行。
final	保证对象的不可变性。一旦对象被创建，其状态不能被修改。对于final字段，编译器和处理器会禁止某些类型的指令重排，确保对象在发布后的状态一致。

5. 代码示例：使用锁避免竞态条件和指令重排

下面的代码示例演示了如何使用锁来避免竞态条件和指令重排，确保线程安全地更新共享变量。

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class Counter {
    private int count = 0;
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    public void increment() {
        lock.lock(); // 获取锁
        try {
            count++;  // 临界区代码
        } finally {
            lock.unlock(); // 释放锁
        }
    }

    public int getCount() {
        lock.lock();
        try {
            return count;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Counter counter = new Counter();
        int numThreads = 10;
        Thread[] threads = new Thread[numThreads];

        for (int i = 0; i < numThreads; i++) {
            threads[i] = new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    counter.increment();
                }
            });
            threads[i].start();
        }

        for (int i = 0; i < numThreads; i++) {
            threads[i].join();
        }

        System.out.println("Final count: " + counter.getCount()); // 期望输出：Final count: 10000
    }
}

在这个例子中，ReentrantLock用于保护increment()和getCount()方法中的临界区代码。锁的使用确保了：

• 互斥性： 同一时刻只有一个线程可以执行increment()或getCount()方法。
• 可见性： 当一个线程释放锁时，它会将修改后的count值写回主内存，其他线程在获取锁时，会从主内存中刷新count的值。
• 顺序性： 锁的使用可以防止指令重排，确保count++操作的原子性。

6. 总结：应对并发编程中的挑战

在并发编程中，JMM和指令重排是必须理解的关键概念。通过volatile、synchronized和final关键字，以及happens-before原则，我们可以有效地避免指令重排带来的问题，编写出安全、可靠的多线程程序。掌握这些工具和原则，能够帮助开发者更好地应对并发编程的挑战，确保程序的正确性和性能。