Java并发——Java内存模型

Java内存模型是什么？

Java内存模型规范了Java虚拟机和计算机内存如何协同工作，虚拟机相当于一个完整的计算机模型，而这个虚拟机的内存模型就为——Java内存模型

运行在Java虚拟中的线程的线程栈

每一个运行的线程都会有自己的线程栈，线程栈里包括这个线程当前调用的方法的相关信息，每个线程只能访问自己的线程栈，仅自己可见，即使多个线程执行相同的代码，每个线程都会在自己的线程栈中创建本地变量，都是自己的独有版本。

Java虚拟中的堆

所有对象都放在堆中，即使不同的线程同时访问同一个对象，那么只是线程栈指向同一个对象，但是对象的值相关信息，都是在自己的线程栈中。

计算机的硬件处理数据流程

由于CPU的运算速度很高，但是数据的传递速度是远小于运算速度的，所以在CPU附近会有多级缓存，以三级缓存来说（现在都有四级缓存了），其中L1和L2级缓存为线程独享的，L3为线程共享的，CPU在需要数据时，会先从一级缓存中寻找，一般有80%概率能找到，如果找不到就依次像下寻找，速度也会越来越慢，缓存区大小也越来越大，当从主内存中寻找到数据，就会依次向上缓存，然后当CPU修改了某一个值int i= 20，他不会立马更新到主内存中，他会放在以及缓存中，这就涉及到缓存一致协议（MESI），出处：
M 修改 (Modified)，数据被修改了，和内存中的数据不一致，数据只存在于本 Cache 中
E 独享、互斥 (Exclusive) 该 Cache line 有效，数据和内存中的数据一致，数据只存在于本 Cache 中
S 共享 (Shared) 该 Cache line 有效，数据和内存中的数据一致，数据存在于很多 Cache 中 Cache
I 无效 (Invalid) 该 Cache line 无效 无监听任务

Core 0在主存中读取int a= 1，然后在依次向上缓存，然后在Cache中标记int a = 1为E，也就是自己独享这个参数，然后这时Core 1去区主存中读取int a = 1，这时核心Core 0 监听到其他线程也去在主存中读取该数据，然后Core 0就会做出反应，把标记int a = 1为S，也就是共享状态，然后Core 1也会缓存a，并且标记为S，假设此时Core 0 需要对a进行加一，首先把a设置为M态，也就是修改态，然后通知其他核心，把自己缓存中的a设置为无效状态，然后Core 0修改a
由于CPU的运算速度很高，且需要等待其他核心的无效确认的过程会比较漫长，所以引入了存储缓存（Store Buffers），核心会把a=2放入到存储缓存中，等到所有无效确认之后，才把a修改后的值一次向下修改，最终把主存中的a值改过来

什么时候把a更新到主存：
然后等到其他线程用到a时，会通知Core 0 ，把a同步到主存中，同步的过程中会把a设置为E独享状态，同步完成后会把Core0和其他线程的a设置为E共享状态，以上都是硬件层面去保证的。

以上无效状态通知或者其他的状态通知，因为要等待无效的成功状态，所以CPU会处于阻塞状态，所以CPU会把逻辑运算完的A值，放入到存储缓存（Store Bufferes），但存储缓存不是无限大的，当他容量满的时候，CPU还是要自己等待无效的ack，而需要给反馈的CPU可能这在做其他的事，不能及时给出反馈，所以为了避免CPU这段时间空闲，加入了无效队列(invalid queue)，当来了个无效状态通知，就把他放入到队列中，然后先给出ack，告诉发出无效通知的cpu，数据已经无效，但是真正的无效是等cpu合适的时间去执行。

引入存储缓存和无效队列在并发的时候产生了两个问题：
1.可见性问题，因为无效的消息被放入到了失效队列，让数据不是立马失效，让CPU感知不到数据的变化
2.指令重拍，因为要让CPU一直工作，所以会优化程序的执行顺序，比如读取int a，因为缓存中没有，就得取主存中取，而b的值在告诉缓存·中有，就会优化为先读b，后读取a，这就会在并发的时候造成问题，比如初始化两个值

public class VolatileExample {
	int a=0;
	volatile boolean flag=false;
	
	public void writer(){
		a=1;   //1
		flag=true;//2
	}
	public void reader(){
		if(flag){//3
			int i=a;//4
		}
	}
}

Java控制线程安全

Volatitle

Volatitle通过内存屏障来可见性和指令重拍带来的有序性问题；
读屏障针对无效队列，让CPU立马去读取无效队列，使对应的数据失效
写屏障针对存储缓存，让CPU立马去把所有存储缓存的数据更新到主存中
同时，这两个屏障是的前后都是不允许有指令优化重拍的，也就保证了有序性

CAS

利用CAS来保证原子性，但是只能保证一个变量，不过在JDK1.5之后引入了AtomicReference，可以保证一个对象的所有属性的原子性，且他解决了CAS的ABA问题和智能保证一个变量的原子性问题，同时改变为自适应自旋锁，因为不可能一直自选操作，会影响CPU效率和占用线程，会根据上次自选成功的次数，进行阈值设定

所以CAS和Volatile保证3个特性组成并发包最基础的结构