java内存模型

1.内存模型(JMM)

1.1什么是Java内存模型？

Java内存模型将内存分为主内存和工作内存两大部分；主内存用来存储线程之间共享数据，工作内存则是每个线程独享内存，存储对应线程使用到的共享数据副本

java内存模型JMM.png

Java内存模型和硬件中的多核CPU、CPU对应的缓存(1级缓存、2级缓存、3级缓存)、以及内存之间的设计异曲同工；CPU的每个核可以跑不通的线程，由于CPU执行指令速度远远大于内存读写速度，为了平衡两者差距，高速缓存就引入了计算机体系中，高速缓存位于CPU和内存之间；读写速度能力 CPU>L1>L2>L3>Memory(越靠近CPU侧，处理能力越高，读写越快)；存储数据能力Memory>L3>L2>L1>CPU(越靠近Memory侧，存储能力越强)；计算机执行程序时，CPU执行程序时，会频繁的使用数据从内存中拷贝到缓存中，这样CPU运算时可以更快的读取到运算的数据；当CPU运算结束，又将数据从高速缓存写回到内存中。

1.2.内存模型中工作内存和主内存的区别？

• 主内存：所有线程共享的区域；存储共享数据的区域
• 工作内存：线程私有的存储区域；主要存储线程使用的主内存中数据的副本

1.3.内存模型带来什么问题

工作内存和主内存中数据不一致问题

1. 原子性

   线程1 和 线程2 并发执行 +1操作，并同步到主内存中

内存模型-原子性.png

2. 可见性

   内存模型-可见性.png

3. 重排序

public class Test{
  private int a = 0;
  private int b = 0;
  
  public void setAAndB() {
    a = 1;
    b = 2;
  }
  
  public void changeB() {
    if (a == 1) {
      b = 4;
    }
    System.out.println("b=" + b);
  }
}

内存模型重排序.png

1.4.volatile关键字有哪些语义

volatile主要面对JMM带来的问题(工作内存和主内存中数据不一致)而产生的一种解决方案

语义有

1. volatile修饰的变量具有可见性
2. volatile修饰的变量读写原子性(如32位系统上的Long变量)
3. volatile修饰的变量，读写操作不会参与前后指令的重排序

具体理解

1. volatile修饰的变量具有可见性

   对于一个volatile变量的读，总能看到(任意线程)对这个volatile变量最后的写入值

   写：当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量值刷新到主内存中

   读：当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效，重新从主内存中读取共享变量到工作内存中

   volatile可见性.png

2. volatile修饰的变量读写原子性(单步操作)

   对于任意单个volatile变量的读、写具有原子性；但是对于i++这种复合操作不具有原子性

3. volatile修饰的变量，读写操作不会参与前后指令的重排序

   是否可以重排序	第二个操作	第二个操作	第二个操作
   第一个操作	普通读/写	volatile读	volatile写
   普通读/写			不可以重排序
   volatile读	不可以重排序	不可以重排序	不可以重排序
   volatile写		不可以重排序	不可以重排序

   总结：

   • 第一个操作为volatile读时，不管第二个操作是什么，都不可以重排序
   • 第二个操作为volatile写时，不管第一个操作是什么，都不可以重排序
   • 第一个操作为volatile写，第二个操作为volatile读时，不可以重排序

1.5.volatile是怎么实现的

还是围绕三个语义来看

1. 可见性

   在写入volatile变量的时候，JVM会向CPU发送Lock指令，Lock指令具有两个作用

   • 将当前工作内存中数据写入到主内存中
   • 涉及其他线程对应的CPU核中缓存的数据设置无效(CPU消息一致性协议和嗅探功能)，之后读会重新重主内存拉取最新数据

2. 原子性(读写原子性)

   线程是CPU调度的基本单位。CPU有时间片的概念，会根据不同的调度算法进行线程调度。当一个线程获得时间片之后开始执行，在时间片耗尽之后，就会失去CPU使用权。所以在多线程场景下，由于时间片在线程间轮换，就会发生原子性问题。

   为了保证原子性，需要通过字节码指令monitorenter和monitorexit，但是volatile和这两个指令之间是没有任何关系的。

   所以，volatile是不能保证(复合操作)原子性的

3. 重排序(有序性)

   主要靠内存屏障(硬件层面的指令，它可以禁止屏障前后的指令进行重排序)

   • 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障
   • 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障
   • 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障
   • 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障
   volatile-重排序机制.png