Java 内存模型（JMM） 浅析

1. 内存模型（java memory model）描述的是什么？

  答：内存模型描述的是程序中各变量（实例域、静态域和数组元素）之间的关系，以及在实际计算机系统中将变量存储到内存和从内存取出变量这样的底层细节。

2：Java 内存可以如何简单的从逻辑上划分？

答：

vm系统中存在一个主内存(Main Memory或Java Heap Memory)，Java中所有变量都储存在主存中，对于所有线程都是共享的。

                                    主内存暂时理解为java 堆空间 和 方法区

每条线程都有自己的工作内存(Working Memory)，工作内存中保存的是主存中某些变量的拷贝，线程对所有变量的操作都是在工作内存中进行，线程之间无法相互直接访问，变量传递均需要通过主存完成。

              工作内存理解为线程工作时的私有栈空间和程序计数器，对应cpu高速缓冲区

                                              just like this：

主内存和工作内存

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3. 一个问题背景

CPU 的主频越来越高，与 cache 的交互次数也越来越多。当 CPU 的计算速度远远超过访问 cache 时，会产生 cache wait ，过多的 cache  wait 就会造成性能瓶颈。

CPU Cache

如何解决这个性能瓶颈问题？

将cache分片，即将一块 cache 划分成互不关联地多个 slots ( 逻辑存储单元，又名 Memory Bank 或 Cache Bank) ， CPU 可以自行选择在多个 idle bank（空闲的bank） 中进行存取。这种 SMP 的设计，显著提高了 CPU 的并行处理能力，也回避了 cache 访问瓶颈。

其中这其中就隐含表达了一个概念------重排序

example: 如下两个赋值操作

           a=1;

           b=2;

理想情况下：

    先执行过程1：  cpu0----写入1------bank0；

    再执行过程2：cup1-----写入2-------bank1；

     但在这种情况下，如果bank0处于busy状态，则过程1需要等待

    当可以重排序，我们可以跳过过程1，直接执行过程2。

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4 主内存与工作内存如何交互？

内存交互8种操作

从上图可以看出

将变量从主内存读取到工作内存中，必须顺序执行read、load；要将变量从工作内存同步回主内存中，必须顺序执行store、write。

read：作用于主内存中的变量，它把一个变量的值从主内存中传递到工作内存，以便进行下一步的load操作。

load：作用于工作内存中的变量，它把read操作传递来的变量值放到工作内存中的变量副本中。

store：作用于工作内存中的变量，它把工作内存中的值传递到主内存中来，以便进行下一步write操作。

write:作用于主内存中的变量，它把store传递过来的值放到主内存的变量中。

lock：作用于主内存中的变量，它将一个变量标志为一个线程独占的状态。

unlock：作用于主内存中的变量，解除变量的锁定状态，被解除锁定状态的变量才能被其他线程锁定。

use：作用于工作内存中的变量，这个操作把变量副本中的值传递给执行引擎。当执行需要使用到变量值的字节码指令的时候就会执行这个操作。

assign：作用于工作内存中的变量，接收执行引擎传递过来的值，将其赋给工作内存中的变量。当执行赋值的字节码指令的时候就会执行这个操作。

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5 缓存一致性（cache coherency）

举例：如果有一个处理器有一个更新了的变量位于其缓存中，但还没有被写入主内存，这样别的处理器可能会看不到这个更新的值。

cache同步

解决方法：

顺序一致性模型：要求对某处理机所写的值立即进行传播，要求立即进行传播，在要求其值被所有处理机接受后，才能进行下一步操作。

释放一致性模型（jmm的一致性模型）：允许某处理机所写的值延迟到释放锁时进行传播。

假设两个线程用监视器正确同步，线程A操作完成后释放锁，则在顺序一致性模型中表现如下：

线程同步在一致性模型下的表现

若A和B线程未同步，在顺序一致性模型中表现如下：

未同步

但是，在 JMM 中就没有这个保证。未同步程序在 JMM 中不但整体的执行顺序是无序的，而且所有线程看到的操作执行顺序也可能不一致。比如，在当前线程把写过的数据缓存在本地内存中，且还没有刷新到主内存之前，这个写操作仅对当前线程可见；从其他线程的角度来观察，会认为这个写操作根本还没有被当前线程执行。只有当前线程把本地内存中写过的数据刷新到主内存之后，这个写操作才能对其他线程可见。在这种情况下，当前线程和其它线程看到的操作执行顺序将不一致。

                                         示例代码：

class SynchronizedExample {

              int a = 0;

              boolean flag = false;

          public synchronized void writer() {

                            a = 1;

                            flag = true;

   }

public synchronized void reader() {

                   if (flag) {

               int i = a;

                   ……

                      }

             }

}

上面示例代码中，假设 A 线程执行 writer() 方法后，B 线程执行 reader() 方法。这是一个正确同步的多线程程序。根据 JMM 规范，该程序的执行结果将与该程序在顺序一致性模型中的执行结果相同。下面是该程序在两个内存模型中的执行时序对比图：

两种模型

虽然线程 A 在临界区内做了重排序，但由于监视器的互斥执行的特性，这里的线程 B 根本无法“观察”到线程 A 在临界区内的重排序。这种重排序既提高了执行效率，又没有改变程序的执行结果。

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