并发编程之内存模型

Posted 2020-12-20 housh

本章要点详细介绍以下几个问题：

1、为什么需要内存模型

2、什么是内存模型

3、内存模型解决什么问题

 

1、为什么需要内存模型

　　说道内存模型不得不首先说下目前的计算机组成原理，目前主流的计算机都是冯诺依曼机。他的cpu缓存存原理如下图：

　　当有了多级缓存后，CPU要读取一个数据时，首先从一级缓存中查找，如果没有找到再从二级缓存中查找，如果还是没有就从三级缓存，三级缓存没有就去主内存中查找。

　　当多核多线程，同时访问一个共享变量的时候，就会在各自L1缓存里复制一份副本，多线程同时写的时候每个副本会出现数据不一致情况，回写到主存中可能会出现缓存不一致。

　　这时就需要引入内存模型来避免这种问题。

　　

2、什么是内存模型

　　首先内存模型是一种规范，是解决由于多线程通过共享内存进行通信时，存在的本地内存数据不一致、编译器会对代码指令重排序、处理器会对代码乱序执行等带来的问题。

3、内存模型解决什么问题

　　内存模型解决了并发编程场景中的原子性、可见性和有序性问题。

　　1）如何解决原子性问题：

　　　　在Java中，为了保证原子性，提供了两个高级的字节码指令monitorenter和monitorexit。在synchronized的实现原理文章中，介绍过，这两个字节码，在Java中对应的关键字就是synchronized。因此，在Java中可以使用synchronized来保证方法和代码块内的操作是原子性的。

　　2）如何解决可见性问题：

　　　　提到可见性，就要说下JMM的缓存一致性协议（MESI）即：modify,exclusive,share,Invalid。

　　　　　　modify:数据被修改了，导致线程cache中和主存的数据不一致时，就是modify状态

　　　　　　exclusive：独占状态，数据只存在于一个线程的cache中

　　　　　　share：共享状态：数据存在于多个线程的cache中

　　　　　　invalid:线程1修改了共享变量回写到主存中，就是导致线程2中cache中的变量是invalid状态，如果线程2需要使用该变量需要重新从主存中获取。

　　　　volatitle由于实现了MESI协议，所以可以保证多线程操作共享变量的可见性。

　　　　除了volatile，Java中的synchronized和final两个关键字也可以实现可见性，只不过是保证同一时刻只允许一条线程操作。

　　3）如何解决有序性问题：

　　　　jvm执行指令时，为提高执行速度会指令重排序，这样就导致执行结果可能会与预期不符，那如何解决呢？

　　　　　　1）使用volatile解决：volatile关键字前后，由于会有读写内存屏障，保证指令不能重排序

　　　　　　2）synchronized解决：synchronized保证同一时刻只允许一条线程执行