JAVA内存模型（JMM简述）

Posted 2021-03-13 一梦三十载

Java内存模型（Java Memory Model）就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保证效果一致的机制及规范。

JVM运行程序的实体是线程，而每个线程创建时JVM都会为其创建一个工作内用于存储线程私有的数据，而Java内存模型中规定所有变量都存储在主内存，主内存是共享内存区域，所有线程都可以访问，但线程对变量的操作(读取赋值等)必须在工作内存中进行
首先要将变量从主内存拷贝的自己的工作内存空间，然后对变量进行操作，操作完成后再将变量写回主内存，工作内存和主内存 传值过程由JMM控制。
在JMM中主内存属于共享数据区域，从某个程度上讲应该包括了堆和方法区，而工作内存数据线程私有数据区域
从某个程度上讲则应该包括程序计数器、虚拟机栈以及本地方法栈。我们可能会看见主内存被描述为堆内存，工作内存被称为线程栈，实际上他们表达的都是同一个含义
主内存主要存储的是Java实例对象，所有线程创建的实例对象都存放在主内存中，不管该实例对象是成员变量还是方法中的本地变量(也称局部变量)，当然也包括了共享的类信息、常量、静态变量。由于是共享数据区域，多条线程对同一个变量进行访问可能会发现线程安全问题。
工作内存
主要存储当前方法的所有本地变量信息(工作内存中存储着主内存中的变量副本拷贝)，每个线程只能访问自己的工作内存，即线程中的本地变量对其它线程是不可见的，线程间无法相互访问工作内存，因此存储在工作内存的数据是线程安全的
存储在主内存不管它是基本数据类型或者包装类型(Integer、Double等)还是引用类型，都会被存储到堆区
JMM
线程 - 》cpu->cpu寄存器->cpu缓存-》主内存
executor->n线程->n内核线程->线程调度器-》cpu
Java内存模型和计算机硬件内存架构是一个相互交叉的关系，是一种抽象概念划分与真实物理硬件的交叉

指令重排
计算机在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器的常常会对指令做重排，一般分以下3种
1、编译器优化的重排
编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
2、指令并行的重排
现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性(即后一个执行的语句无需依赖前面执行的语句的结果)，处理器可以改变语句对应的机器指令的执行顺序
3、内存系统的重排
由于处理器使用缓存和读写缓存冲区，这使得加载(load)和存储(store)操作看上去可能是在乱序执行，因为三级缓存的存在，导致内存与缓存的数据同步存在时间差。

其中编译器优化的重排属于编译期重排，指令并行的重排和内存系统的重排属于处理器重排，在多线程环境中，这些重排优化可能会导致程序出现内存可见性问题

如执行ADD指令时 写到内存时没有完成 后面计算就无法进行，停顿会造成CPU性能下降，因此我们应该想办法消除这些停顿，这时就需要使用到指令重排了，既然ADD指令需要等待，那我们就利用等待的时间做些别的事情。

A线程调用写入方法，而B线程调用读取方法
指令重排只会保证单线程中串行语义的执行的一致性，但并不会关心多线程间的语义一致性

在并发编程模式中，势必会遇到上面三个概念
1、可见性
可见性指的是当一个线程修改了某个共享变量的值，其他线程是否能够马上得知这个修改的值
对于串行程序来说，可见性是不存在的在多线程环境中线程A修改了共享变量x的值，还未写回主内存时，另外一个线程B又对主内存中共享变量x进行操作。
2、有序性
有序性是指对于单线程的执行代码，我们总是认为代码的执行是按顺序依次执行的，但对于多线程环境，则可能出现乱序现象，因为程序编译成机器码指令后可能会出现指令重排现象，重排后的指令与原指令的顺序未必一致多线程环境下，一个线程中观察另外一个线程，所有操作都是无序的
3、原子性
一个操作或者多个操作要么全部执行要么全部不
执行。
JMM提供的解决方案：
理解了原子性，可见性以及有序性问题后，看看JMM是如何保证的，对于方法级别或者代码块级别的原子性操作，可以使用synchronized关键字或者重入锁(ReentrantLock)保证程序执行的原子性
而工作内存与主内存同步延迟现象导致的可见性问题，可以使用synchronized关键字或者volatile关键字解决，它们都可以使一个线程修改后的变量立即对其他线程可见 对于指令重排导致的可见性问题和有序性问题，则可以利用volatile关键字解决，因为volatile的另外一个作用就是禁止重排序优化

仅靠sychronized和volatile关键字来保证原子性、可见性以及有序性，那么编写并发程序可能会显得十分麻烦
volatile在并发编程中很常见
1、当一个线程修改了一个被volatile修饰共享变量的值，新值总数可以被其他线程立即得知
2、禁止指令重排序优化
volatile禁止重排优化：
内存屏障，又称内存栅栏，是一个CPU指令，它的作用有两个，一是保证特定操作的执行顺序，
二是保证某些变量的内存可见性（利用该特性实现volatile的内存可见性）。由于编译器和处理器都能执行指令重排优化。
如果在指令间插入一条Memory Barrier则会告诉编译器和CPU，不管什么指令都不能和这条Memory Barrier指令重排序，
Memory Barrier的另外一个作用是强制刷出各种CPU的缓存数据，因此任何CPU上的线程都能读取到这些数据的最新版本