并发编程：深入理解设计原理与优化

并发编程是现代软件开发中不可或缺的一部分，特别是在多核处理器日益普及的今天。为了确保程序在多线程环境下的正确性和性能，理解其设计原理至关重要。本文将深入探讨Java内存模型（JMM）的设计要求、happens-before规则以及双重检查锁定（DCL）模式的相关问题及其解决方案。

1. happens-before 规则

1.1 JMM 设计要求

JMM的设计需兼顾程序员的易用性和编译器、处理器的高效性。具体来说：

• 易于理解：JMM提供了简单易懂的happens-before规则，确保程序员能够清晰地理解内存可见性。




• 便于优化：JMM允许编译器和处理器在不影响程序执行结果的前提下进行重排序，以提高性能。

JMM的基本原则是：只要不改变单线程或正确同步的多线程程序的执行结果，编译器和处理器可以自由优化。对于会改变执行结果的重排序，JMM要求禁止；对于不会改变结果的重排序，则不做限制。

1.2 happens-before 定义

happens-before规则定义如下：

• 如果 A happens-before B，则 A 的结果对 B 可见，且 A 必须在 B 之前执行。




• 两个操作之间存在happens-before关系，并不意味着必须按此顺序执行，只要最终结果一致即可。

happens-before关系和as-if-serial语义类似，前者保证多线程程序的正确性，后者保证单线程程序的顺序一致性。两者都旨在通过适当的重排序来提升程序的并行度。

1.3 happens-before 规则

2. DCL 双重检查锁定

2.1 延迟初始化

延迟初始化仅在需要时才创建对象，以节省资源。例如：

public class DoubleCheckedLocking {
    private static volatile Instance instance;

    public static Instance getInstance() {
        if (instance == null) { // 第一次检查
            synchronized (DoubleCheckedLocking.class) { // 加锁
                if (instance == null) { // 第二次检查
                    instance = new Instance(); // 延迟初始化
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

然而，这种实现可能会出现问题，因为构造对象的操作可能会被重排序。

2.2 问题原因

初始化代码 instance = new Instance(); 可分解为三个步骤：

memory = allocate(); // 分配内存空间
ctorInstance(memory); // 初始化内存空间
instance = memory; // 将instance指向内存空间

某些编译器可能重排序步骤2和步骤3，导致其他线程在对象未完全初始化时访问到它。

3. DCL 问题解决方案

3.1 基于 volatile 解决

将 instance 声明为 volatile 类型，可以禁止重排序，确保对象在完全初始化后才可见。例如：

private static volatile Instance instance;

这种方式适用于静态字段和实例字段的延迟初始化。

3.2 基于类初始化解决

另一种线程安全的延迟初始化方案是利用类初始化机制：

public class InstanceFactory {
    private static class InstanceHolder {
        public static final Instance instance = new Instance();
    }

    public static Instance getInstance() {
        return InstanceHolder.instance;
    }
}

JVM会在首次访问 getInstance() 方法时自动初始化 InstanceHolder 类，确保线程安全。

3.3 类初始化处理流程

每个类都有一个唯一的初始化锁，确保类只被初始化一次。类初始化分为五个阶段：

1. 获取锁：线程A获取锁，设置状态为初始化中，释放锁；线程B等待。


2. 执行初始化：线程A执行静态初始化，线程B等待。


3. 初始化完毕：线程A重新获取锁，设置状态为已初始化，唤醒所有等待线程，释放锁。


4. 结束类初始化：其他线程获取锁，确认已初始化，释放锁。


5. 其他线程初始化：后续线程直接确认已初始化，不再重复初始化。

4. 内存模型总结

4.1 处理器内存模型

不同处理器的内存模型强度不同，追求高性能的处理器允许更多的重排序。JMM屏蔽了这些差异，为Java程序员提供了一致的内存模型。

4.2 各种内存模型的关系

JMM是语言级的内存模型，处理器内存模型是硬件级的内存模型，顺序一致性模型是理论参考模型。内存模型强度：顺序一致性模型 > JMM > 处理器（TSO~PPC）。

4.3 JMM 内存可见性保证

• 单线程程序：不存在内存可见性问题。




• 正确同步的多线程程序：具有顺序一致性，JMM通过限制重排序保证内存可见性。




• 未同步或未正确同步的多线程程序：最小安全性保证，读取值要么是之前写入的值，要么是默认值。

4.4 JSR-133 语义增强

• volatile内存语义增强：严格限制volatile变量和普通变量之间的重排序。




• final内存语义增强：确保final引用不会从构造函数内溢出。