浅析-JMM内存模型

Java内存模型（JMM）

简介

Java内存模型（Java Memory Model ,JMM）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存(有些地方称为栈空间)，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，不能直接操作主内存中的变量，

工作内存中存储着主内存中的变量副本拷贝，前面说过，工作内存是每个线程的私有数据区域，因此不同的线程间无法访问对方的工作内存，线程间的通信(传值)必须通过主内存来完成。

为什么要有内存模型

现代的计算机有多级缓存

在CPU访问存储设备时，无论是存取数据抑或存取指令，都趋于聚集在一片连续的区域中，这就被称为局部性原理。

时间局部性（Temporal Locality）：如果一个信息项正在被访问，那么在近期它很可能还会被再次访问。比如循环、递归、方法的反复调用等。 空间局部性（Spatial Locality）：如果一个存储器的位置被引用，那么将来他附近的位置也会被引用。 比如顺序执行的代码、连续创建的两个对象、数组等

多核CPU多级缓存一致性协议MESI

多核CPU的情况下有多个一级缓存，如何保证缓存内部数据的一致,不让系统数据混乱。这里就引出了一个一致性的协议MESI。

注意： 对于M和E状态而言总是精确的，他们在和该缓存行的真正状态是一致的，而S状态可能是非一致的。

重排序

在执行程序时为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序。

重排序分三类：

1、编译器优化的重排序。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、指令级并行的重排序。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，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。 3、内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读／写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

JMM主要解决的问题： 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

• 缓存一致性问题其实就是可见性问题。
• 处理器优化是可以导致原子性问题
• 指令重排即会导致有序性问题

数据同步八大原子操作

（1）lock(锁定)：作用于主内存的变量，把一个变量标记为一条线程独占状态

（2）unlock(解锁)：作用于主内存的变量，把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定

（3）read(读取)：作用于主内存的变量，把一个变量值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用

（4）load(载入)：作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中

（5）use(使用)：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎

（6）assign(赋值)：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量

（7）store(存储)：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write的操作

（8）write(写入)：作用于工作内存的变量，它把store操作从工作内存中的一个变量的值传送到主内存的变量中

同步规则分析

1. 不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从工作内存同步回主内存中
2. 一个新的变量只能在主内存中诞生，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或者assign）的变量。即就是对一个变量实施use和store操作之前，必须先自行assign和load操作。
3. 一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一线程重复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。lock和unlock必须成对出现。
4. 如果对一个变量执行lock操作，将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量之前需要重新执行load或assign操作初始化变量的值。
5. 如果一个变量事先没有被lock操作锁定，则不允许对它执行unlock操作；也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。
6. 对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步到主内存中（执行store和write操作）

保证原子性

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。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。

保证可见性

Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值的这种依赖主内存作为传递媒介的方式来实现的。

Java中的volatile关键字提供了一个功能，那就是被其修饰的变量在被修改后可以立即同步到主内存，被其修饰的变量在每次是用之前都从主内存刷新。

下面是保守策略下，volatile 写操作 插入内存屏障后生成的指令序列示意图：

下面是在保守策略下，volatile 读操作 插入内存屏障后生成的指令序列示意图：

上述 volatile 写操作和 volatile 读操作的内存屏障插入策略非常保守。在实际执行时，只要不改变 volatile 写-读的内存语义，编译器可以根据具体情况省略不必要的屏障。

除了volatile，Java中的synchronized和final两个关键字也可以实现可见性。

保证有序性

在Java中，可以使用synchronized和volatile来保证多线程之间操作的有序性。实现方式有所区别： volatile关键字会禁止指令重排。 synchronized关键字保证同一时刻只允许一条线程操作。

说到有序性，注意，我们说有序性可以通过 volatile 和 synchronized 来实现，但是我们不可能所有的代码都靠这两个关键字。实际上，Java 语言已对重排序或者说有序性做了规定，这些规定在虚拟机优化的时候是不能违背的。

Happen-Before 原则如下：

1.程序次序原则：一个线程内，按照程序代码顺序，书写在前面的操作先发生于书写在后面的操作。 2.volatile 规则：对同一个变量的volatile 写操作，先行发生于后面对这个变量的读操作，这保证了 volatile 变量的可见性。 3.锁定规则：解锁（unlock）操作先发生于后面对同一个锁的加锁（lock）操作。 4.传递性：A先于B，B先于C，那么A必然先于C。 5.线程启动规则：线程的 start 方法先行发生于此线程每一个动作。 6.线程中断规则：对线程的interrupt()操作先行发生于对线程的isInterrupted()操作，即先要设置中断标志位才能检测到中断。 7.线程终止规则：线程中的所有操作都优先发生于对此线程的终止检测。 8.对象终结规则：一个对象的初始化完成（构造函数执行）先行发生在对象的finalize()方法之前。

as-if-serial语义

• as-if-serial语义的意思是：不管怎么重排序（编译器和处理器为了提高并行度），（单线程）程序的执行结果不会改变。编译器、runtime和处理器都必须遵守as-if-serial语义。
• 为了遵守as-if-serial语义，编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序，因为这种重排序会改变执行结果。但是，如果操作之间不存在数据依赖关系，这些操作就可能被编译器和处理器重排序。

顺序一致性内存模型

1、一个线程中的所有操作必须按照程序的顺序来执行。（不管程序是否同步）所有线程都只能看到一个单一的操作执行顺序。

2、在顺序一致性内存模型中，每个操作都必须原子执行且立刻对所有线程可见。

参考文章：

https://cloud.tencent.com/developer/article/1462257

https://copyfuture.com/blogs-details/202206170625427409