Java內(nèi)存模型
Java內(nèi)存模型（JMM）是一種虛擬機(jī)規(guī)范，用于屏蔽掉各種硬件和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問(wèn)差異，以實(shí)現(xiàn)讓Java程序在各種平臺(tái)下都能達(dá)到一致的并發(fā)效果，JMM規(guī)范了Java虛擬機(jī)與計(jì)算機(jī)內(nèi)存是如何協(xié)同工作的：規(guī)定了一個(gè)線程如何和何時(shí)可以看到由其他線程修改過(guò)后的共享變量的值，以及在必須時(shí)如何同步的訪問(wèn)共享變量。
JMM在Java1.5版本中被重新修訂， 延續(xù)至今。
Java多線程間采用共享內(nèi)存進(jìn)行通信,由于采用共享內(nèi)存進(jìn)行通信，通信過(guò)程中面臨一系列可見性、原子性、順序性等問(wèn)題， JMM就是圍繞多線程通信以及相關(guān)的一系列特性而建立的模型。JMM定義了一些語(yǔ)法集， 映射到Java語(yǔ)言就是volatile、synchronized等關(guān)鍵字。
多線程通信方式: 1.共享內(nèi)存 2.消息通知
簡(jiǎn)而言之， JMM是為了解決Java多線程通信問(wèn)題而定義的一套規(guī)范。
硬件內(nèi)存結(jié)構(gòu)
現(xiàn)代硬件內(nèi)存模型與Java內(nèi)存模型有一些不同，理解內(nèi)存模型架構(gòu)以及Java內(nèi)存模型如何與它協(xié)同工作也是非常重要的。
如上圖所示， 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的內(nèi)存模型可以簡(jiǎn)單表示為主存、多級(jí)緩存、cpu寄存器等。
cpu的執(zhí)行速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)存，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都不得不加一些高速緩存作為cpu和內(nèi)存之間的緩沖：將cpu運(yùn)算需要用到的數(shù)據(jù)復(fù)制到緩存中，讓計(jì)算快速運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)算結(jié)束后，再將緩存結(jié)果寫入內(nèi)存中。
cpu寄存器的運(yùn)算速度高于高速緩存，緩存的運(yùn)算速度大于內(nèi)存，因此每個(gè)cpu可能會(huì)有多個(gè)緩存。在某個(gè)時(shí)刻，有一些主存的數(shù)據(jù)被讀取到高速緩存中，同時(shí)會(huì)有一些計(jì)算結(jié)果會(huì)被刷回主存。
存在的問(wèn)題
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緩存一致性問(wèn)題
每個(gè)處理器有自己的高速緩存器， 多個(gè)高速緩存器共享同一塊內(nèi)存。當(dāng)多個(gè)處理器處理的任務(wù)涉及到內(nèi)存中的同一塊區(qū)域時(shí)，就會(huì)存在緩存一致性的問(wèn)題，到底以哪個(gè)處理器同步回來(lái)的緩存結(jié)果為主？ -
處理器優(yōu)化和指令重排
處理器內(nèi)部的運(yùn)算單元為了能盡量被充分利用，處理器會(huì)對(duì)代碼進(jìn)行過(guò)優(yōu)化亂序處理，同時(shí)Java編譯器也會(huì)做指令重排。指令重排保證結(jié)果和順序執(zhí)行的計(jì)算結(jié)果一致， 并不保證代碼的執(zhí)行順序和程序輸入的順序一致。
單線程的情況下， 即使存在上述問(wèn)題， 也不會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤。但是多線程的情況下就會(huì)帶來(lái)不可預(yù)料的結(jié)果。比如兩個(gè)線程同時(shí)修改變量a的值， a的初始值為0， 線程1對(duì)a執(zhí)行+1操作， 并將結(jié)果刷入共享內(nèi)存，線程2也對(duì)a執(zhí)行+1操作， 線程2將結(jié)果刷入共享內(nèi)存時(shí)，并不知道a值已經(jīng)變?yōu)?， 還是將當(dāng)前計(jì)算結(jié)果刷入共享內(nèi)存， 最終a的計(jì)算結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)0+1+1=1的錯(cuò)誤結(jié)果。
并發(fā)編程的問(wèn)題
并發(fā)編程為了保證線程安全，需要滿足以下三個(gè)特性:
- 原子性 一個(gè)操作cpu不可以在中途暫停然后再調(diào)度，即不被中斷操作，要不執(zhí)行完成，要不不執(zhí)行
- 可見性 多個(gè)線程訪問(wèn)同一個(gè)變量時(shí), 一個(gè)線程修改了這個(gè)變量的值，其他線程能夠立即看到修改的值。
- 有序性 程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。
為了保證共享內(nèi)存的可見性、有序性、原子性，內(nèi)存模型定義了共享內(nèi)存系統(tǒng)中多線程程序讀寫操作行為的規(guī)范。
Java內(nèi)存模型（JMM）就是一種符合內(nèi)存模型規(guī)范的，屏蔽了各種硬件和操作系統(tǒng)的訪問(wèn)差異的，保證了Java程序在各種平臺(tái)下對(duì)內(nèi)存的訪問(wèn)都能保證效果的一致的機(jī)制及規(guī)范。
Java內(nèi)存模型規(guī)定了所有的變量都存儲(chǔ)在主存中，每個(gè)線程還有自己的工作內(nèi)存， 線程的工作內(nèi)存保存了該線程中用到的變量在主存中的副本拷貝， 線程對(duì)變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接讀寫主存。不同的線程之間也無(wú)法直接訪問(wèn)對(duì)方工作內(nèi)存中的變量，線程間通信需要通過(guò)工作內(nèi)存的主存之間的數(shù)據(jù)同步進(jìn)行。
而JMM就作用于工作內(nèi)存和主存之間數(shù)據(jù)同步過(guò)程。它規(guī)定了如何做數(shù)據(jù)同步以及什么時(shí)候做數(shù)據(jù)同步。
JMM是一種規(guī)范, 目的是解決并發(fā)編程時(shí)多線程通過(guò)共享內(nèi)存進(jìn)行通信的時(shí)候，緩存一致性、指令重排等帶來(lái)的問(wèn)題。
Java內(nèi)存模型的實(shí)現(xiàn)
Java 中提供了一系列和并發(fā)處理的關(guān)鍵字和包，就是Java內(nèi)存模型封裝了底層的實(shí)現(xiàn)后提供給程序員使用的接口。比如synchronized、volatile、final等， 以及concurren 包。
- 原子性 Java中為了保證原子性， 提供了monitorenter和monitorexit字節(jié)碼指令。
- 可見性 Java中的volatile關(guān)鍵字保證了被修飾的變量在被刷新回主存時(shí)，所有線程可見。其次synchronized和final關(guān)鍵字也可以實(shí)現(xiàn)可見性。
- 有序性 Java中的synchronized和volatile保證有序性。synchronized關(guān)鍵字保證同一時(shí)刻只允許一條線程操作， volatile禁止指令重排。
