深入理解软件事务内存(STM)及其在JVM中的应用

咎竹峻Karen

于 2025-06-19 09:27:21 发布

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深入理解软件事务内存(STM)及其在JVM中的应用

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什么是软件事务内存(STM)

软件事务内存(Software Transactional Memory, STM)是一种并发控制机制，它借鉴了数据库事务的概念来处理共享内存的并发访问问题。在传统的多线程编程中，我们通常使用锁机制来保护共享数据，但锁机制存在诸多问题：容易导致死锁、优先级反转、难以调试等。

STM提供了一种更优雅的解决方案，它将内存操作封装在事务中执行，事务具有ACID特性(原子性、一致性、隔离性)，从而简化了并发编程的复杂性。

传统同步机制的问题

传统的同步方式(如Java中的synchronized关键字)虽然能保证线程安全，但会显著降低并发性能。更糟糕的是，如果开发者忘记正确同步代码，JDK不会提供任何警告或错误提示，这可能导致难以发现的并发bug。

对象模型的缺陷

面向对象编程(OOP)将数据和行为封装在一起，这导致我们将对象的身份(identity)与其状态(state)混为一谈。这种设计使得状态可变性成为默认选择，从而带来了各种同步问题。

身份与状态的分离

STM采用了一种不同的编程范式：将对象的身份与其不可变状态分离。这种分离带来了更高的并发性和更少的竞争条件。

身份与状态分离

如上图所示，当Google股票价格更新时，我们不是修改原有价格，而是创建一个新价格记录并更新引用。这种模式只需要快速更改引用指向，而不需要修改原有数据。

为了优化性能，STM使用持久化数据结构来避免对大对象的不必要复制。

STM的工作原理

STM解决了同步的两大核心问题：

内存屏障问题(可见性问题)
竞态条件问题

在STM中(以Clojure为例)，所有内存访问都发生在事务内部。如果没有冲突，事务可以无锁执行，实现最大并发度；如果检测到冲突，事务管理器会介入解决冲突。

STM的设计原则是：

值是不可变的
身份只能在事务内改变
如果在事务外尝试修改值，会抛出异常
遇到冲突时，事务会自动重试直到成功

开发者需要确保事务代码是幂等的，即多次执行事务会产生相同的结果。这意味着像打印到终端这样的副作用操作不应该放在事务内部。

STM事务特性

STM事务类似于数据库事务，提供以下保证：

原子性(Atomicity)：要么所有修改都可见，要么都不可见
一致性(Consistency)：事务要么完全执行，要么完全不执行
隔离性(Isolation)：事务不会看到其他事务的部分修改

Clojure的STM使用多版本并发控制(MVCC)，类似于数据库的乐观锁机制。事务开始时记录状态的时间戳，结束时检查时间戳是否变化，如果变化则回滚事务。

处理写入偏斜异常

写入偏斜(Write Skew)是一种特殊的并发问题：

两个事务(T1和T2)读取相同的两个值(V1和V2)
T1更新V1，T2更新V2
两个事务都成功提交，但如果它们的计算依赖于对方读取的值，可能会破坏不变量

在Clojure中，可以使用ensure确保只读的值在事务期间不被外部修改，从而避免写入偏斜问题。

JVM中的STM实现

在JVM生态中，有几种STM实现方式：

Clojure STM：原生支持STM，可以在Java中通过互操作使用
Multiverse STM：提供基于注解的API
Akka STM：支持STM和Actor模型

Akka与Clojure的主要区别在于：如果可变实体没有包装在事务中，它的行为类似于Clojure的原子变量。Akka提供了Java和Scala两种API。

实际应用示例

Java中的Akka STM

public class EnergySource {
    private final long MAXLEVEL = 100;
    final Ref<Long> level = new Ref<Long>(MAXLEVEL);
    // 其他字段和方法...
    
    public boolean useEnergy(final long units) {
        return new Atomic<Boolean>() {
            public Boolean atomically() {
                long currentLevel = level.get();
                if(units > 0 && currentLevel >= units) {
                    level.swap(currentLevel - units);
                    return true;          
                }
                return false;
            }  
        }.execute();
    }
}

Scala中的Akka STM

class EnergySource private() {
    private val MAXLEVEL = 100L
    val level = Ref(MAXLEVEL)
    
    def useEnergy(units : Long) = {
        atomic {
            val currentLevel = level.get
            if(units > 0 && currentLevel >= units) {
                level.swap(currentLevel - units)
                true
            } else false
        }
    }
}

可以看到，Scala版本的代码更加简洁，得益于语言特性对STM的良好支持。