探秘 Java 内存模型：JVM 底层内存屏障详解

后端

2024-01-22 13:10:34

前言

Java 开发中，并发同步机制的广泛应用，使得理解 Java 内存模型至关重要。它保障了多线程环境下的数据一致性和可见性。本文将深入剖析 Java 内存模型的底层原理，重点分析 JVM 中的内存屏障源码，揭开并发编程的神秘面纱。

Java 内存模型概述

Java 内存模型 (JMM) 定义了一组规则，规范了多线程程序中共享内存的访问和更新行为。它确保了不同线程对共享数据的并发访问不会产生意外结果。

JMM 中的关键概念包括：

主内存 (Main Memory)： 所有线程都可访问的共享内存。
工作内存 (Working Memory)： 每个线程私有的内存，包含该线程对共享数据的本地副本。
内存可见性： 一个线程对共享数据的修改对其他线程可见的时间点。

内存屏障

内存屏障是硬件指令或编译器优化，用于强制执行特定内存操作的顺序。它们确保特定内存操作在另一个操作之前执行，从而防止指令重排。

Java 中常用的内存屏障类型有：

LoadLoad 屏障： 保证先前的加载操作在随后的加载操作之前执行。
StoreStore 屏障： 保证先前的存储操作在随后的存储操作之前执行。
LoadStore 屏障： 保证先前的加载操作在随后的存储操作之前执行。

JVM 底层内存屏障源码分析

JVM 实现了一些用于强制执行内存屏障的特殊指令。让我们深入研究其中一些指令的源码：

LoadLoad 屏障：

public static native void loadLoadFence();

StoreStore 屏障：

public static native void storeStoreFence();

LoadStore 屏障：

public static native void storeLoadFence();

这些方法在 JVM 中声明为本机方法，因为它们需要硬件支持才能正确执行。

实验验证

为了验证内存屏障的效果，我们可以编写一个简单的并发测试程序：

public class MemoryBarrierTest {

    private volatile int sharedValue = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MemoryBarrierTest test = new MemoryBarrierTest();

        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            while (true) {
                // 加上内存屏障，确保读取 sharedValue 的值是最新的
                MemoryBarrierTest.loadLoadFence();
                if (test.sharedValue == 1) {
                    break;
                }
            }
        });

        thread1.start();

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            // 加上内存屏障，确保对 sharedValue 的修改对其他线程可见
            MemoryBarrierTest.storeStoreFence();
            test.sharedValue = 1;
        });

        thread2.start();

        thread1.join();
        thread2.join();
    }
}