概述

• JVM試圖通過(guò)定義java內(nèi)存模型（JMM)來(lái)屏蔽各種硬件和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)差異，以便讓java程序在各種平臺(tái)下都能達(dá)到一致的內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)效果。

硬件的效率

物理機(jī)與虛擬機(jī)遇到的并發(fā)問(wèn)題有類(lèi)似之處，所以物理機(jī)對(duì)并發(fā)的處理方案對(duì)于虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)有相當(dāng)大的參考意義。

遇到的問(wèn)題及方案

處理器遇到的問(wèn)題時(shí)，與內(nèi)存進(jìn)行交互時(shí)，計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)設(shè)備與處理器的運(yùn)算速度有幾個(gè)數(shù)量級(jí)的差距，為了
解決這個(gè)問(wèn)題，現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)引入了一層讀寫(xiě)速度盡可能接近處理器運(yùn)算的高速緩存作為內(nèi)存與處理器之間的緩沖：通過(guò)將運(yùn)算需要使用的數(shù)據(jù)復(fù)制到緩沖中，讓運(yùn)算能快速進(jìn)行，當(dāng)運(yùn)算結(jié)束后再?gòu)木彺婊貙?xiě)到內(nèi)存中。

引入的問(wèn)題

緩存一致性問(wèn)題
在多個(gè)處理器系統(tǒng)中，每個(gè)處理器都有自己的高速緩存，它們都共享一個(gè)主內(nèi)存，當(dāng)多個(gè)處理器共享一個(gè)主內(nèi)存時(shí)，可能導(dǎo)致各自的數(shù)據(jù)不一致，為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要各個(gè)處理器訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存時(shí)遵循一些協(xié)議，“內(nèi)存模型”就是在特定協(xié)議下，對(duì)特定的內(nèi)存或者高速緩存進(jìn)行讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)的抽象。

高速緩存與內(nèi)存.png

內(nèi)存模型

工作內(nèi)存與主內(nèi)存

java主要定義的是程序中各個(gè)變量的訪(fǎng)問(wèn)規(guī)則，也就是虛擬機(jī)中將變量存儲(chǔ)到內(nèi)存和從內(nèi)存取出變量的底層細(xì)節(jié)。（這里的變量指的是實(shí)例字段、靜態(tài)字段以及構(gòu)成數(shù)組對(duì)象的元素，不包括局部變量和方法參數(shù)，因?yàn)楹笳邥r(shí)線(xiàn)程私有的）

主內(nèi)存與工作內(nèi)存.png

java內(nèi)存模型規(guī)定所有的變量都存儲(chǔ)在主內(nèi)存中，每條線(xiàn)程都有自己的工作內(nèi)存，工作內(nèi)存存放著變量的主內(nèi)存的拷貝，線(xiàn)程對(duì)變量的操作都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，不同線(xiàn)程之間無(wú)法直接訪(fǎng)問(wèn)對(duì)方的工作內(nèi)存，線(xiàn)程之間的交互都必須通過(guò)主內(nèi)存。
注意：其實(shí)虛擬機(jī)不會(huì)把整個(gè)對(duì)象都拷貝到工作內(nèi)存中，只會(huì)拷貝需要用到的字段。

內(nèi)存間交互操作

• lock（鎖定）：作用于主內(nèi)存的變量，把一個(gè)變量標(biāo)識(shí)為一條線(xiàn)程獨(dú)占狀態(tài)。
• unlock（解鎖）：作用于主內(nèi)存變量，把一個(gè)處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來(lái)，釋放后的變量才可以被其他線(xiàn)程鎖定。
• read（讀?。鹤饔糜谥鲀?nèi)存變量，把一個(gè)變量值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)骄€(xiàn)程的工作內(nèi)存中，以便隨后的load動(dòng)作使用
• load（載入）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把read操作從主內(nèi)存中得到的變量值放入工作內(nèi)存的變量副本中。
• use（使用）：作用于工作內(nèi)存的變量，把工作內(nèi)存中的一個(gè)變量值傳遞給執(zhí)行引擎，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個(gè)需要使用變量的值的字節(jié)碼指令時(shí)將會(huì)執(zhí)行這個(gè)操作。
• assign（賦值）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把一個(gè)從執(zhí)行引擎接收到的值賦值給工作內(nèi)存的變量，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個(gè)給變量賦值的字節(jié)碼指令時(shí)執(zhí)行這個(gè)操作。
• store（存儲(chǔ)）：作用于工作內(nèi)存的變量，把工作內(nèi)存中的一個(gè)變量的值傳送到主內(nèi)存中，以便隨后的write的操作。
• write（寫(xiě)入）：作用于主內(nèi)存的變量，它把store操作從工作內(nèi)存中一個(gè)變量的值傳送到主內(nèi)存的變量中。

如果要把一個(gè)變量從主內(nèi)存中復(fù)制到工作內(nèi)存，就需要按順尋地執(zhí)行read和load操作，如果把變量從工作內(nèi)存中同步回主內(nèi)存中，就要按順序地執(zhí)行store和write操作。Java內(nèi)存模型只要求上述操作必須按順序執(zhí)行，而沒(méi)有保證必須是連續(xù)執(zhí)行。也就是read和load之間，store和write之間是可以插入其他指令的，如對(duì)主內(nèi)存中的變量a、b進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，可能的順序是read a，read b，load b， load a。Java內(nèi)存模型還規(guī)定了在執(zhí)行上述八種基本操作時(shí)，必須滿(mǎn)足如下規(guī)則：

• 不允許read和load、store和write操作之一單獨(dú)出現(xiàn)
• 不允許一個(gè)線(xiàn)程丟棄它的最近assign的操作，即變量在工作內(nèi)存中改變了之后必須同步到主內(nèi)存中。
• 不允許一個(gè)線(xiàn)程無(wú)原因地（沒(méi)有發(fā)生過(guò)任何assign操作）把數(shù)據(jù)從工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存中。
• 一個(gè)新的變量只能在主內(nèi)存中誕生，不允許在工作內(nèi)存中直接使用一個(gè)未被初始化（load或assign）的變量。即就是對(duì)一個(gè)變量實(shí)施use和store操作之前，必須先執(zhí)行過(guò)了assign和load操作。
• 一個(gè)變量在同一時(shí)刻只允許一條線(xiàn)程對(duì)其進(jìn)行l(wèi)ock操作，lock和unlock必須成對(duì)出現(xiàn)
• 如果對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行l(wèi)ock操作，將會(huì)清空工作內(nèi)存中此變量的值，在執(zhí)行引擎使用這個(gè)變量前需要重新執(zhí)行l(wèi)oad或assign操作初始化變量的值
• 如果一個(gè)變量事先沒(méi)有被lock操作鎖定，則不允許對(duì)它執(zhí)行unlock操作；也不允許去unlock一個(gè)被其他線(xiàn)程鎖定的變量。
• 對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行unlock操作之前，必須先把此變量同步到主內(nèi)存中（執(zhí)行store和write操作）。

volatile型變量規(guī)則

volatile是虛擬機(jī)提供最輕量的同步機(jī)制，使用volatile變量符合兩個(gè)規(guī)則：

• 運(yùn)算結(jié)果不依賴(lài)當(dāng)前值，或者確保只有單一線(xiàn)程修改變量值
• 變量不需要與其他狀態(tài)變量共同參與不變約束

內(nèi)存模型對(duì)volatile的特殊規(guī)則

（略）

思考

通過(guò)高速緩存雖然提高了并發(fā)處理能力，但是也引入了一套復(fù)雜的內(nèi)存管理模型，但是這種付出是值得的，通過(guò)它配合重排序等操作可以更好的壓榨cpu。在我們的日常編碼中，如果一份數(shù)據(jù)在多個(gè)地方都有緩存，那么每個(gè)地方的緩存數(shù)據(jù)都有不一致的問(wèn)題，維護(hù)這些拷貝數(shù)據(jù)的成本相當(dāng)高，一般情況下不建議有多地方的緩存。另外，內(nèi)存模型中處理器對(duì)變量的處理都是通過(guò)工作內(nèi)存處理的，包括volatile變量，使用統(tǒng)一的接口處理，提供不同的處理方式，也可以借鑒在日常開(kāi)發(fā)中。