近期筆者在閱讀《深入理解Java虛擬機(jī)：JVM高級特性與最佳實(shí)現(xiàn)(第3版)》，書中提到關(guān)于Java內(nèi)存模型的知識點(diǎn)，但是看完之后還是感覺有些模糊，便查閱一些其他相關(guān)資料。本文是筆者經(jīng)過對知識理解和整理后的一個總結(jié)，希望能夠幫助朋友們對Java內(nèi)存模型有更加清晰的認(rèn)識，對于文章內(nèi)容有其他想法或意見建議等，歡迎提出共同討論共同進(jìn)步。下面將從以下三點(diǎn)展開討論：

• 內(nèi)存模型的由來
• 內(nèi)存模型的定義
• Java內(nèi)存模型及實(shí)現(xiàn)

內(nèi)存模型的由來

1. 計算機(jī)在執(zhí)行程序的時候每條指令都是由CPU來執(zhí)行的。而CPU在執(zhí)行的時候?yàn)榱双@取數(shù)據(jù)，所以難免與主存打交道。

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2. 隨著CPU技術(shù)的發(fā)展其執(zhí)行越來越高速度，越來也快，同時因內(nèi)存技術(shù)發(fā)展比較緩慢，性能沒有太大的變化，所以導(dǎo)致出現(xiàn)CPU每次操作內(nèi)存都需要耗費(fèi)一定的等待時間。

3. 為在保證CPU技術(shù)發(fā)展同時優(yōu)化解決這一問題，人們后來想出來了一個方案，就是在CPU和內(nèi)存之間增加高速緩沖存儲器(Cache)。

高速緩沖存儲器是存在于主存與CPU之間的一級存儲器， 由靜態(tài)存儲芯片(SRAM)組成，容量比較小但速度比主存高得多， 接近于CPU的速度。在計算機(jī)存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)中，是介于中央處理器和主存儲器之間的高速小容量存儲器。它和主存儲器一起構(gòu)成一級的存儲器。高速緩沖存儲器和主存儲器之間信息的調(diào)度和傳送是由硬件自動進(jìn)行的。

因?yàn)镃ache速度接近于CPU的速度且CPU每次操作主存前都會先訪問Cache，所以通過增加Cache后當(dāng)便達(dá)到了優(yōu)化的效果。

4. 隨著CPU的升級，一層緩存慢慢地?zé)o法滿足要求，因此逐漸地衍生出多級緩存。每一級緩存中所儲存的全部數(shù)據(jù)都是下一級緩存的一部分。而CPU讀取數(shù)據(jù)也演變?yōu)椋寒?dāng)CPU要讀取一個數(shù)據(jù)時，首先從一級緩存中查找，如果沒有找到再從二級緩存中查找，如果還是沒有就從下一級緩存查直到訪問內(nèi)存。如下圖所示

5. 單核CPU只含有一套L1，L2，L3緩存;如果CPU含有多個核心，即多核CPU，則每個核心都含有一套L1(甚至和L2)緩存，而共享L3(或者和L2)緩存，下圖是一個單CPU雙核得緩存結(jié)構(gòu)圖：

隨著計算機(jī)能力不斷提升，開始支持多線程，那么就可能會問題了。我們分別來分析下單線程、多線程在單核CPU、多核CPU中的影響。

• 單核cpu與單線程：核心的緩存只被一個線程訪問，緩存獨(dú)占，不會出現(xiàn)訪問沖突等問題。
• 單核CPU與多線程：進(jìn)程中的多個線程會同時訪問進(jìn)程中的共享數(shù)據(jù)，CPU將某塊內(nèi)存加載到緩存后，不同線程在訪問相同的物理地址的時候，都會映射到相同的緩存位置，這樣即使發(fā)生線程的切換，緩存仍然不會失效。但由于任何時刻只能有一個線程在執(zhí)行，因此不會出現(xiàn)緩存訪問沖突。
• 多核CPU與多線程：每個核都至少有一個L1 緩存用于提升效率。當(dāng)多個線程分別在不同的核心上執(zhí)行且訪問進(jìn)程中的同個共享內(nèi)存，由于多核是可以并行的，則可能會出現(xiàn)類似多線程編程中出現(xiàn)的并發(fā)問題，如對于同一塊內(nèi)存中的變量，多個核心同時讀寫修改數(shù)據(jù)的話，就會出現(xiàn)不可預(yù)期的錯誤，而其解決思路則是通過鎖機(jī)制。

所以在CPU和主存之間增加緩存，在多核CPU多線程場景下發(fā)生并發(fā)內(nèi)存訪問操作時可能會出現(xiàn)歧義。

處理器優(yōu)化--“指令重排”

除了上面的問題之外，還有另一個硬件問題也比較重要：處理器為了使其內(nèi)部的運(yùn)算單元能夠被充分利用會進(jìn)行優(yōu)化，可能會亂序執(zhí)行處理輸入代碼，此處暫理解為“指令重排”。除了一些處理器會對代碼進(jìn)行優(yōu)化亂序處理外，很多編程語言的編譯器也會有類似的優(yōu)化，比如Java虛擬機(jī)的JIT即時編譯器也會做指令重排。

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如Java單例設(shè)計模式Double-Check例子中的voliate關(guān)鍵字應(yīng)用就是為了防止因指令重排導(dǎo)致在多線程并發(fā)場景下出現(xiàn)異常。感興趣的朋友可以參考我的另一篇文章深入解析單例模式--懶漢模式，這里就不再進(jìn)行過多的探討。

什么是內(nèi)存模型

上面分析了那么多其實(shí)目的是為了引出兩個重要問題：

• 多核CPU多線程場景下發(fā)生并發(fā)內(nèi)存訪問操作時可能會出現(xiàn)歧義
• 處理器為了使其內(nèi)部的運(yùn)算單元能夠被充分利用會自行進(jìn)行優(yōu)化--“指令重排”

那么對于以上問題該如何解決?這時候便引出了重要概念--內(nèi)存模型，定義如下：

可以簡單理解為內(nèi)存模型其實(shí)就是解決多線程場景下因并發(fā)所導(dǎo)致的問題的一個重要規(guī)范。

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Java內(nèi)存模型

1. 定義

Java內(nèi)存模型(Java Memory Model ,JMM)就是一種符合內(nèi)存模型規(guī)范的，屏蔽了各種硬件和操作系統(tǒng)的訪問差異的，以實(shí)現(xiàn)讓Java程序在各種平臺下都能達(dá)到一致的內(nèi)存訪問效果的規(guī)范。

2. 理解

Java內(nèi)存模型(簡稱“JMM”)是一個規(guī)范，其主要目的是定義程序中各種變量的訪問規(guī)則，是圍繞著在并發(fā)過程中如何處理原子性、可見性和有序性三個特征來建立的。

關(guān)于Java內(nèi)存模型的實(shí)現(xiàn)，相信熟悉Java并發(fā)編程的朋友一定會熟悉，Java提供了一系列和并發(fā)處理相關(guān)的關(guān)鍵字，其實(shí)這些就是Java內(nèi)存模型封裝了底層的實(shí)現(xiàn)后提供給程序員使用的一些關(guān)鍵字，本文在這里就不對這些關(guān)鍵字一一展開討論了，感興趣的朋友可以看看《Java多線程編程核心技術(shù)》進(jìn)行了解。其中如：

• 通過使用volatile關(guān)鍵字解決因指令重排導(dǎo)致的問題
• 通過synchronized關(guān)鍵字來保證線程安全等

等方式其實(shí)就與硬件通過計算機(jī)內(nèi)存模型中限制處理器優(yōu)化和使用內(nèi)存屏障等解決問題的思路一致。

最后

本文從硬件可能出現(xiàn)的問題引出計算機(jī)內(nèi)存模型解決方案，進(jìn)而提取出多線程并發(fā)問題。最后再引出Java內(nèi)存模型。Java內(nèi)存模型可以簡單理解就是一套圍繞著在并發(fā)過程中如何處理原子性、可見性和有序性三個特征來建立的規(guī)范，而如synchronized等關(guān)鍵字則是其具體實(shí)現(xiàn)。