Java线程内存模型，volatile实现原理相关学习笔记

• minor gc：轻GC，对应用影响很小
• full gc：针对老年区的清理，jvm优化主要针对full gc

JVM调优：主要是减少full gc的次数，与一次full gc需要的时间

通过gc日志。

多核并发缓存架构

JAVA线程内存模型

Java线程内存模型与cpu的缓存类似，也是先将主内存中的变量拷贝一份副本到自己的工作内存区域中，线程主要是跟自己的工作内存打交道的。

因为拷贝一份副本变量到自己的工作内存（这部分内存是线程私有的），所以其他线程是看不到这份变量的变化的，volatile的作用就是：将某个变量的变化，让所有线程都看到。他的实现方式是：强制要求线程直接与主内存进行读写操作。

###JMM数组原子操作

• lock（锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为一条线程独占状态。
• unlock（解锁）：作用于主内存变量，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。
• read（读取）：作用于主内存变量，把一个变量值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用
• load（载入）：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（使用）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
• assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。
• store（存储）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write的操作。
• write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中一个变量的值传送到主内存的变量中。

一次多线程操作，JMM层面的操作过程

代码

private static boolean flag = false;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        new Thread(()->{
            System.out.println("start a ...");
            while (!flag) { }
            System.out.println("flag == true end");
        }).start();

        Thread.sleep(2000);

        new Thread(() -> {
            System.out.println("start b ...");
            flag = true;
            System.out.println("b end...");
        }).start();
    }

执行过程如下：

• 线程a简称a，线程b简称b
• 左边的线程a：JVM先将flag从主内存中read出来，然后通过load，将值复制一份到工作内存，然后use工作内存中的副本变量给cpu，cpu计算完毕后发现while循环为true，则继续下去。
• 右边的线程b：JVM陷阱flag从主内存中read出来，然后通过load，将值复制一份到工作内存，然后use工作内存中的副本变量给cpu，这时候需要做个赋值操作，使用assign将值赋给工作内存中的副本变量，然后使用store将变量传到主内存中，最后使用write将值赋给主内存中的flag变量。
• 所以整个过程，a中一直使用的是自己工作内存中的变量flag，外界（b中工作内存flag与主内存中flag）的变量发生变化，a是不知道的，只能傻傻地循环下去。

工作内存

是cache和寄存器的一个抽象，并不是内存的某个部分

实现线程间变量可见性的原理，有两种方式

• 总线加锁（性能低，早期），这是最开始解决线程间变量的可见性问题的解决方案。
  • cpu从主内存读取数据到高速缓存，会在总线对这个数据加锁，这样其他cpu没法读或写这个数据，直到这个cpu使用完数据释放锁之后其他cpu才能读取到这个数据
• mesi缓存一致性协议
  • 多个cpu从主内存读取同一个数据到各自的高速缓存，当其中某个cpu修改了缓存里的数据，该数据会马上同步回主内存，其他cpu通过总线嗅探机制可以感知到数据的变化从而将自己缓存里的数据失效，cpu发现缓存失效了就会从主内存重新load一份数据到自己的高速缓存。

内存与cpu交互中间是有一层总线的，他是一个物理硬件。

volatile实现可见性的原理

volatile是基于mesi缓存一致性协议实现的多线程变量的可见性。

底层实现主要依靠汇编lock前缀指令，他会锁定这块内存区域的缓存（缓存行锁定），并写回到主内存。

lock的四个逻辑：

• 锁定主内存的那块内存区域的数据（缓存行锁定），也就是在store前加锁，store->write完毕后，解锁

• 会将当前处理器缓存行的数据立即写回到主内存

• 这个写回内存的操作会引起在其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效（结合mesi协议）

• 原生语意有内存屏障的功能，也就是禁止指令重排序（这是实现了有序性）

小结

• 这里显示出了mesi缓存一致性协议较于总线加锁的优势，降低锁粒度
  • 总线加锁是在数据计算之前进行加锁，然后开始计算，计算的时候其他cpu都需要一直等待。
  • lock +mesi 则会在cpu计算完毕后，准备将变量store->write回主内存之前加锁，这样就大大减少了锁住的时间（因为少了cpu计算）

单核情况下需要使用volatile或者synchronized吗

首先，JMM屏蔽了硬件细节，是无关单核还是多核的。

在单核cpu上，线程们通过时间片轮流执行，同一进程中的不同线程交替使用cpu时，访问的是同一块共享缓存，这样就不需要通过协调主内存（比如多核中，volatile的lock前缀，可以短暂的锁住主内存区域）来进行线程间的通信，所以volatile的可见性就用不着了。

但volatile的lock前缀的读写屏障可以禁止volatile变量之间的重排序的作用在并发时是需要的。

synchronized同样可见性作用不大，但原子性是很必要的。

java多线程在单核CPU上，还是需要volatile synchronized吗？