【Java并发编程与高并发解决方案】JAVA内存模型JMM以及乱序执行优化(重排序)

出现线程安全问题，一般是因为主存和工作内存数据不一致以及重排序，那今天就说一下这两个方面。

乱序执行优化

乱序执行优化是多核CPU为了提高效率而做的不符合代码规则的优化。

int a = 1;
int b = 1;
int c = a + b;

• 正常我们看到的执行顺序是A-B-C，但是因为CPU的重排序，运行顺序有可能变为B-A-C，这时候结果是不会受到任何影响的。

JMM

• 说到并发就要设计多个线程之间是如何通信的，通信可以分为两种：消息传递以及内存共享，而java主要使用到内存共享。说到内存共享就要先来看一下java的内存结构了。

  
  
  

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• Java的内存结构主要分为栈和堆。
• 栈
  • 栈的速度仅次于寄存器，速度快，但是大小和生存周期是固定的
  • 主要用来存放一些基本类型的局部变量。
  • 不同的线程栈之间是相互独立的，存放的变量对于其他线程不可见，即使他们运行的是同一段代码。
• 堆
  • 是运行的数据区，是动态分配的(比如new关键字)，所以速度存取速度较慢
  • 存在垃圾回收，所以大小和生命周期是不确定的。
  • 是共享的，主要用来存放对象

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• 当一个线程栈持有一个对象，他只是持有了这个对象的引用(内存地址)，真正的对象还是在堆上。
• 一个对象的成员变量，无论是啥类型，都是跟着对象存在于堆上的。
• 这时候就有个问题，如果多个线程，同时访问同一个对象的同一个方法，每个方法内又有局部变量。会发生啥呢。
  • 其实啥也不会发生，多个线程访问同一个方法，他们其实只是持有方法内局部变量的拷贝。

硬件结构和JMM的关系

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• 如果要从内存中读取数据处理后写回，都经历了什么(从硬件角度来看)
  • 首先cpu发出指令
  • cache会在合适的时机把数据从内存读过来
  • cpu寄存器去执行计算操作啥的
  • 寄存器把数据写回到cache
  • cache在合适的时机把数据(上一个博客中提到的缓存行)写回主存\
• 硬件结构和JMM有啥关系呢
  • 咱们上面说的栈和堆是在主存里的~当然，也会在不同的时机存在于cpu的缓存和寄存器(寄存器的速度比缓存还要快)

硬件结构和JMM更抽象的关系

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• 前面说啦，java中线程的通信是通过内存的共享，那如果要完成一次通信，要经过这两步
  • 线程1从主存中把变量读到了本地内存，进行一系列操作后，写回到主存
  • 线程2把数据从主存中读到本地内存
• 这里说的本地内存是一个抽象的概念，他包括了上面说的，cache/寄存器啥的。
• 那线程安全为啥会产生呢，就是因为这个操作(基本上线程安全问题都是性能优化导致的)
  • 如果一个线程要使用一个共享变量，首先要读到本地内存，后续的读写操作都是作用于本地内存上的副本的，执行完一系列操作后某个时刻，这个共享变量才会被从本地内存写回到主存。
  • 注意，在写回到主存前，对于数据所执行的操作对于别的线程是不可见的。
  • 如果此时另一个线程读取了主存中的共享变量，就产生了“脏读“。可以使用关键字”volatile“来解决，这个后续会详细说。
• 内存可见性JMM是通过happens-before关系来提供的。这个在参考资料有详细说，后面用到的时候也会写出来。

接下来干啥

• 明天说一下同步操作和同步规则后，理论的知识就暂时到这里。接下来会说一下并发模拟用到的工具以及代码。

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更详细的参考资料：

http://ifeve.com/java-memory-model-6/
https://juejin.im/post/5ae6d309518825673123fd0e