并发编程之Java内存模型

　　在介绍Java内存模型之前，先来了解一下为什么要有内存模型，以及内存模型是什么。然后我们基于对内存模型的了解，学习Java内存模型以及并发编程的三大特性。

为什么要有内存模型

　　在计算机中，所有的运算操作都是由CPU的寄存器来完成的，CPU指令的执行需要涉及到数据的读写操作，而CPU只能访问主存中的数据。随着技术的发展，CPU的执行速度越来越快，而内存的访问速度没有太大的变化，导致CU每次操作主存都要等待很长的时间。于是就有了在CPU与主存之间添加缓存的设计。

内存模型：CPU　Cache模型

　　目前缓存的数量达到了３级，最接近CPU的缓存称为L１，然后为Ｌ２、Ｌ３和主存。由于程序指令和数据的行为和热点分布差异比较大，因此将L１又细分为L1i(istruction）、L1d(data)。

 　　CPU的出现是为了解决CPU直接访问主存效率低下的问题。程序在运行过程中，会将运算所需的数据从主存中复制一份到Cache中，这样CPU在计算时就可以直接对CPU　Cache中的数据进行读写，当运算结束后，再将Cahce中的最新数据刷新到主存中。

 

　　虽然缓存的出现极大地提升了CPU的吞吐能力，但是也导致了缓存不一致的问题。这是因为CPU都是对Cache中的数据进行读写，不同线程之间的工作内存是相互独立的，对某个线程工作空间中的数据进行更新，可能会无法及时同步到其它缓存中。

 

　　为了保证数据的正确性，内存模型定义了共享内存系统中多线程程序读写操作行为的规范。

Java内存模型

    Java内存模型（Java Memory Model ），简称JMM，是一种符合内存模型规范的，屏蔽了各种硬件和操作系统的访问差异的，保证了Java程序在各种平台下对内存的访问都能得到一致效果的机制及规范。其目的是解决多线程通过主内存进行通信时，存在的原子性、可见性（缓存一致性）以及有序性问题。（关于原子性、可见性（缓存一致性）以及有序性，我们将会在”并发编程的三大特性“中详细讲解）

 

    JMM决定了一个线程对共享变量的写入何时对其它线程可见，定义了线程与主存之间的关系：

• 共享变量存储于主存中，每个线程都可以访问
• 每个线程都有私有的工作内存，也称为本地内存
• 工作内存中只存储共享变量的副本
• 线程不能直接操作主存，只有操作了本地内存后才能写入主存
• 每一个线程都不能访问其他线程的本地内存

 

 并发编程的三大特性

  　　并发编程有三大特性：原子性、可见性、有序性。

• • 　　原子性：是指在一次操作或多次操作中，要么所有的操作都得到执行，要么都不执行。【类似于事务】
    • 　　JMM只保证了基本读取和赋值的原子性操作
    • 　　多个原子性操作的组合不再是原子性操作
    • 　　可以使用synchronized/lock保证某些代码片段的原子性
    • 　　对于int等类型的自增操作，可以通过java.util.concurrent.atomic.*保证原子性
  • 　　可见性：是指一个线程对共享变量进行了修改，其他线程可以立即看到修改后的值。
  • 　　有序性：是指代码在执行过程中的先后顺序是有序的。【Java编译器会对代码进行优化，执行顺序可能与开发者编写的顺序不同（指令重排）】

 

　　并发编程时，保证三大特性的方式有三种：

• • 　　使用volatile关键字修饰变量
    • 　　当一个变量被volatile关键字修饰时，对于共享变量的读操作会直接在主存中进行，对于共享变量的写操作是先修改本地内存，修改结束后直接刷到主存中。（未被volatile修饰的变量被修改后，什么时候最新值会被刷到主存中是不确定的）
  • 　　使用synchronized关键字修饰方法或代码块
  • • 　　synchronized关键字能保证同一时刻只有一个线程获得锁然后执行同步方法，并且确保锁释放之前，会将修改的变量刷入主存。
  • 　　使用JUC提供的显式锁Lock
  • • 　　Lock能保证同一时刻只有一个线程获得锁然后执行同步方法，并且确保锁释放之前，会将修改的变量刷入主存。

 补充

　　Java中提供了一系列和并发处理相关的关键字，比如volatile、synchronized等，其实这些就是Java内存模型封装了底层的实现后提供给程序员使用的一些关键字。

参考文献

• 汪文君《Java高并发编程详解-多线程与架构设计》