Java内存模型（JMM）

Java内存模型（JMM）

1. 计算机内存系统

计算机在执行程序时，每条指令都是在CPU中执行的，而执行指令过程中，势必会涉及到数据的读取和写入。

由于在程序运行过程中，临时数据是存放在主存（物理内存）中的，这时就存在一个问题，由于CPU执行指令的速度很快，而从内存读取和写入数据的过程与其相比速度要慢得多，因此如果任何时候对数据的操作都要通过和内存的交互来进行，会大大降低指令执行的速度。

因此CPU中就有了高速缓存。当程序在运行过程中，会将运算需要的数据从主存复制一份到CPU的高速缓存中，当CPU进行计算时就可以直接从它的高速缓存中读取和写入数据，运算结束之后，再将高速缓存中的数据刷新到主存当中去。

2. JMM内存模型

在Java虚拟机规范中试图定义一种Java内存模型（Java Memory Model,JMM）来屏蔽各个硬件平台和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。

JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：线程之间的共享变量存储在主内存（Main Memory）中，每个线程都有一个私有的本地内存（Local Memory），本地内存中存储了该线程读/写共享变量的副本。

如果线程A与线程B之间要通信的话，必须要经历下面2个步骤。

• 线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。
• 线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。

3. JMM内存模型三大特性

原子性：一个操作或多个操作，要么全部执行并且执行过程中不会被任何因素打断，要么就不执行。

• 对于基本数据类型变量的原子性操作由JUC包原子类中的AtomicInteger等来实现；
• 对于更大范围操作的原子性，使用 synchronized和Lock 来实现。

可见性：指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值

• volatile：当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。
• synchronized和Lock：保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中，因此可以保证可见性。
• final：被 final 关键字修饰的字段一旦初始化完成，并且没有发生 this 逃逸（其它线程通过 this 引用访问到初始化了一半的对象），也能保证对其他线程的可见性。

有序性：程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

• 指令重排序：一般来说，处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的（顺序不一致，但结果一致）。重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。

  源代码 -> 编译器优化的重排 -> 指令并行的重排 -> 内存系统的重排 ->最终执行的指令

• 保证有序性的方法：

  • volatile关键字；
  • 通过synchronized和Lock来保证有序性，其可以保证每个时刻是有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码，自然也就保证了有序性；
  • Java内存模型具备一些先天的“有序性”，即不需要通过任何手段就能够得到保证的有序性，通常称为happens-before原则。在JMM中，如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见，那么这两个操作之间必须要存在happens-before关系。这两个操作既可以在一个线程之内，也可以在不同线程之间。happens-before的一些重要规则：
    • 程序顺序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前的操作线性发生于先行在后的操作；
    • 监视器锁规则：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作；
    • volatile变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作；
    • 传递性：若操作A先行发生于B，而操作B又先行发生于C，则可以得出操作A先行发生于C。