java内存模型(jmm)概念初探

1.和java内存结构的区别：

很多人会把jmm和Java内存结构搞混，网上搜到的一些文章也是如此，java内存结构就是我们常说的堆，栈，方法区，程序计数器..., 当jvm虚拟机启动的时候，会初始化这些内存区域。而java内存模型是一套虚拟机规范，它遵循虚拟机规范定义了一套用于处理多线程下对数据的原子性，可见性，有序性的规则，它在每个jvm下的实现都可以是不同的，只要符合虚拟机规范就可以。

要知道java内存模型设计的意义，首先我们可以了解一下操作系统的内存模型：

2.操作系统内存模型

在最早的时候，cpu和内存直接打交道，那个时候两者速度是差不多的，但是后来随着cpu发展迅速，内存速度越来越跟不上了，cpu每次获取数据的时候就干瞪眼，于是乎就出现了高速缓存，寄存器这些玩意，但是这玩意是每个核心独有的，你其他核心访问的时候还是从你自己的寄存器-几级高速缓存-主存获取，主存是共享的，但是你总不能每次改一下，就刷一次主存，那也太慢了，没啥意义，所以你肯定得攒一段时间再写到主存，于是乎，一个共享的变量，你改了，但是还没到你要刷到主存的时候，我也改了，但是我读不到你缓存里的数据，那肯定就会出现缓存不一致的问题。

除了这种情况，cpu为了让内部的运算单元能被充分利用，可能会打乱代码顺序执行，我们听过的指令重排就是java虚拟机层面类似的优化，那么这种问题如何能解决呢其实这些就是我们所说的原子性，可见性，顺序性发生的原因，那么操作系统层面是怎么保证的呢，我总不能为了速度，不管他对不对了吧。为了解决数据一致性的问题，通常各个处理器访问缓存都遵循一些协议，主要有：MSI、MESI（Illinois Protocol）、MOSI、Synapse、Firefly 及 Dragon Protocol 等，下面我们主要介绍一下MESI：

3.MESI

　　在多核处理器中，缓存都是独立的，但是多核之间需要共享数据，那么我们如何保证这些数据的一致性？

　　在MESI中，每个缓存行都有4中状态：M ，E， S，I

　　M: M全称Modified,它标识这行数据在本缓存被修改了，和内存中不一致，但本缓存是有效的,如果别的CPU内核要访问主存中这块数据，则该缓存行数据必须先写回主存，状态改为S

　　E: 全称Exclusive,表示当前数据有效，但数据只有该缓存和主存有，当别的Cpu读时，状态改为S，如果被修改了，改为M

　　S: 全称Shared,表示当前缓存行在其他缓存中也有，且自身未修改，缓存行可以被抛弃(缓存行有自己的淘汰策略)

　　I: 全称invalid,表示当前缓存行是无效的。

基于上面的知识，其实可以大致知道MESI就是通过在读写数据时，通知所有拥有这块数据的核心修改自身的状态，达到在任意时刻任意核心读到的数据都是一致的，而且不需要实时更新数据到主存或其他缓存。

java内存模型和操作系统的是比较类似的，它的所有操作基本上都是对底层的映射，它定义了线程和主存之间的抽象的映射关系：

线程间共享的变量存在主存中，线程的独有的缓存存储变量的副本，其实大体上和操作系统理解起来是一个道理。

　　jmm是比较抽象的一个概念，必须要结合操作系统的内存模型来结合理解，像操作系统为了提升性能，加了多级缓存，加了寄存器，并且会优化要执行的代码。而加了之后也是有代价的，那就是会造成所谓的并发三大特性：

1.可见性：就是当一个共享变量被其他线程修改后，当前线程可以立刻读到改变后的值。

为什么会出现可见性问题？

如上图所示，每个线程都有自己的本地缓存(为了效率)，而本地缓存就会导致如线程2将一个共享变量变更了，刷到主存中，但线程1不知道我这个值变了，还是会去读缓存，就会导致线程2的修改对线程1不可见。

如何解决可见性问题：

1.volatile关键字

2.通过直接调用内存屏障storeFence()

3.synchronized关键字

4.Lock保证

5.final关键字

　　2.有序性：

用一句通俗但又不易懂的话来说就是眼见不一定为实，怎么理解呢，jvm为了效率，有时候会对指令进行重排，它不一定会按照你写的代码一步步执行，当然有前后依赖关系的肯定不会重排。

如何解决有序性问题：

1.volatile关键字

2.通过直接调用内存屏障storeFence()

3.synchronized关键字

4.Lock保证

　　3.原子性：

要么都执行，要么不执行，不管你有多少个线程同时执行，我这个原子性的操作一定是不会被打断或者拆分执行，相当于是这个操作以及不能再被拆分了。

如何保证原子性：

1.CAS的方式

2.synchronized关键字

3.Lock保证

本章节主要介绍了操作系统内存模型的设计，延伸到jmm的设计，以及这样的设计带来的影响，操作系统会通过实现一些一致性协议来解决这样的问题，java则通过上述一些方式来处理三大特性的问题，后续章节将介绍这些方式解决三大特性的原理。

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