一、計(jì)算機(jī)內(nèi)存模型：

在多CPU的系統(tǒng)中，每個(gè)CPU都有多級(jí)緩存，一般分為L(zhǎng)1、L2、L3緩存，因?yàn)檫@些緩存的存在，提供了數(shù)據(jù)的訪問(wèn)性能，也減輕了數(shù)據(jù)總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)膲毫?#xff0c;同時(shí)也帶來(lái)了很多新的挑戰(zhàn)，比如兩個(gè)CPU同時(shí)去操作同一個(gè)內(nèi)存地址，會(huì)發(fā)生什么？在什么條件下，它們可以看到相同的結(jié)果？這些都是需要解決的。

所以在CPU的層面，內(nèi)存模型定義了一個(gè)充分必要條件，保證其它CPU的寫入動(dòng)作對(duì)該CPU是可見(jiàn)的，而且該CPU的寫入動(dòng)作對(duì)其它CPU也是可見(jiàn)的，那這種可見(jiàn)性，應(yīng)該如何實(shí)現(xiàn)呢？

有些處理器提供了強(qiáng)內(nèi)存模型，所有CPU在任何時(shí)候都能看到內(nèi)存中任意位置相同的值，這種完全是硬件提供的支持。

其它處理器，提供了弱內(nèi)存模型，需要執(zhí)行一些特殊指令（就是經(jīng)常看到或者聽到的，memory barriers內(nèi)存屏障），刷新CPU緩存的數(shù)據(jù)到內(nèi)存中，保證這個(gè)寫操作能夠被其它CPU可見(jiàn)，或者將CPU緩存的數(shù)據(jù)設(shè)置為無(wú)效狀態(tài)，保證其它CPU的寫操作對(duì)本CPU可見(jiàn)。通常這些內(nèi)存屏障的行為由底層實(shí)現(xiàn)，對(duì)于上層語(yǔ)言的程序員來(lái)說(shuō)是透明的（不需要太關(guān)心具體的內(nèi)存屏障如何實(shí)現(xiàn)）。

前面說(shuō)到的內(nèi)存屏障，除了實(shí)現(xiàn)CPU之前的數(shù)據(jù)可見(jiàn)性之外，還有一個(gè)重要的職責(zé)，可以禁止指令的重排序。

這里說(shuō)的重排序可以發(fā)生在好幾個(gè)地方：編譯器、運(yùn)行時(shí)、JIT等，比如編譯器會(huì)覺(jué)得把一個(gè)變量的寫操作放在最后會(huì)更有效率，編譯后，這個(gè)指令就在最后了（前提是只要不改變程序的語(yǔ)義，編譯器、執(zhí)行器就可以這樣自由的隨意優(yōu)化），一旦編譯器對(duì)某個(gè)變量的寫操作進(jìn)行優(yōu)化（放到最后），那么在執(zhí)行之前，另一個(gè)線程將不會(huì)看到這個(gè)執(zhí)行結(jié)果。

當(dāng)然了，寫入動(dòng)作可能被移到后面，那也有可能被挪到了前面，這樣的“優(yōu)化”有什么影響呢？這種情況下，其它線程可能會(huì)在程序?qū)崿F(xiàn)“發(fā)生”之前，看到這個(gè)寫入動(dòng)作（這里怎么理解，指令已經(jīng)執(zhí)行了，但是在代碼層面還沒(méi)執(zhí)行到）。通過(guò)內(nèi)存屏障的功能，我們可以禁止一些不必要、或者會(huì)帶來(lái)負(fù)面影響的重排序優(yōu)化，在內(nèi)存模型的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)更高的性能，同時(shí)保證程序的正確性。

二、緩存一致性：

百度百科：指保留在高速緩存中的共享資源，保持?jǐn)?shù)據(jù)一致性的機(jī)制。

CPU的高速緩存當(dāng)中在單線程運(yùn)行是沒(méi)有問(wèn)題的，但是在多線程中運(yùn)行就會(huì)有問(wèn)題了。在多核CPU中，每條線程可能運(yùn)行于不同的CPU中，因此每個(gè)線程運(yùn)行時(shí)有自己的高速緩存（對(duì)單核CPU來(lái)說(shuō)，其實(shí)也會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題，只不過(guò)是以線程調(diào)度的形式來(lái)分別執(zhí)行的）。這時(shí)CPU緩存中的值可能和緩存中的值不一樣，這就是著名的緩存一致性問(wèn)題

緩存一致性可以分為三個(gè)層級(jí)：

（1）在進(jìn)行每個(gè)寫入運(yùn)算時(shí)都立刻采取措施保證數(shù)據(jù)一致性

（2）每個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算，假如它造成數(shù)據(jù)值的改變，所有進(jìn)程都可以看到一致的改變結(jié)果

（3）在每次運(yùn)算之后，不同的進(jìn)程可能會(huì)看到不同的值（這也就是沒(méi)有一致性的行為）

為了解決緩存不一致性問(wèn)題，通常來(lái)說(shuō)有以下2種解決方法：

（1）通過(guò)在總線加LOCK#鎖的方式

（2）通過(guò)緩存一致性協(xié)議

三、MESI協(xié)議

百度百科指MESI協(xié)議是基于Invalidate的高速緩存一致性協(xié)議，并且是支持回寫高速緩存的最常用協(xié)議之一。

在該協(xié)議的作用下，雖然各cache控制器隨時(shí)都在監(jiān)聽系統(tǒng)總線，但能監(jiān)聽到的只有讀未命中、寫未命中以及共享行寫命中三種情況。讀監(jiān)聽命中的有效行都要進(jìn)入S態(tài)并發(fā)出監(jiān)聽命中指示，但M態(tài)行要搶先寫回主存；寫監(jiān)聽命中的有效行都要進(jìn)入I態(tài)，但收到RWITM時(shí)的M態(tài)行要搶先寫回主存。總之監(jiān)控邏輯并不復(fù)雜，增添的系統(tǒng)總線傳輸開銷也不大，但MESI協(xié)議卻有力地保證了主存塊臟拷貝在多cache中的一致性，并能及時(shí)寫回，保證cache主存存取的正確性。

• 可見(jiàn)性

Java內(nèi)存模型是通過(guò)在變量修改后將新值同步回主內(nèi)存，在變量讀取前從主內(nèi)存刷新變量值的這種依賴主內(nèi)存作為傳遞媒介的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

Java中的volatile關(guān)鍵字提供了一個(gè)功能，那就是被其修飾的變量在被修改后可以立即同步到主內(nèi)存，被其修飾的變量在每次是用之前都從主內(nèi)存刷新。因此，可以使用volatile來(lái)保證多線程操作時(shí)變量的可見(jiàn)性。

除了volatile，Java中的synchronized和final兩個(gè)關(guān)鍵字也可以實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)性。只不過(guò)實(shí)現(xiàn)方式不同，這里不再展開了。

• 原子性

在Java中，為了保證原子性，提供了兩個(gè)高級(jí)的字節(jié)碼指令monitorenter和monitorexit。在synchronized的實(shí)現(xiàn)原理文章中，介紹過(guò)，這兩個(gè)字節(jié)碼，在Java中對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵字就是synchronized。

因此，在Java中可以使用synchronized來(lái)保證方法和代碼塊內(nèi)的操作是原子性的。

• 順序性

在Java中，可以使用synchronized和volatile來(lái)保證多線程之間操作的有序性。實(shí)現(xiàn)方式有所區(qū)別：

volatile關(guān)鍵字會(huì)禁止指令重排。synchronized關(guān)鍵字保證同一時(shí)刻只允許一條線程操作。

• happens-before

因?yàn)閖vm會(huì)對(duì)代碼進(jìn)行編譯優(yōu)化，指令會(huì)出現(xiàn)重排序的情況，為了避免編譯優(yōu)化對(duì)并發(fā)編程安全性的影響，需要happens-before規(guī)則定義一些禁止編譯優(yōu)化的場(chǎng)景，保證并發(fā)編程的正確性?。

1. 規(guī)則一：程序的順序性規(guī)則

一個(gè)線程中，按照程序的順序，前面的操作happens-before后續(xù)的任何操作。

對(duì)于這一點(diǎn)，可能會(huì)有疑問(wèn)。順序性是指，我們可以按照順序推演程序的執(zhí)行結(jié)果，但是編譯器未必一定會(huì)按照這個(gè)順序編譯，但是編譯器保證結(jié)果一定==順序推演的結(jié)果。

2. 規(guī)則二：volatile規(guī)則

對(duì)一個(gè)volatile變量的寫操作，happens-before后續(xù)對(duì)這個(gè)變量的讀操作。

3. 規(guī)則三：傳遞性規(guī)則

如果A happens-before B，B happens-before C，那么A happens-before C。

jdk1.5的增強(qiáng)就體現(xiàn)在這里。回到上面例子中，線程A中，根據(jù)規(guī)則一，對(duì)變量x的寫操作是happens-before對(duì)變量v的寫操作的，根據(jù)規(guī)則二，對(duì)變量v的寫操作是happens-before對(duì)變量v的讀操作的，最后根據(jù)規(guī)則三，也就是說(shuō)，線程A對(duì)變量x的寫操作，一定happens-before線程B對(duì)v的讀操作，那么線程B在注釋處讀到的變量x的值，一定是42.

4.規(guī)則四：管程中的鎖規(guī)則

對(duì)一個(gè)鎖的解鎖操作，happens-before后續(xù)對(duì)這個(gè)鎖的加鎖操作。

這一點(diǎn)不難理解。

5.規(guī)則五：線程start()規(guī)則

主線程A啟動(dòng)線程B，線程B中可以看到主線程啟動(dòng)B之前的操作。也就是start() happens before 線程B中的操作。

6.規(guī)則六：線程join()規(guī)則

主線程A等待子線程B完成，當(dāng)子線程B執(zhí)行完畢后，主線程A可以看到線程B的所有操作。也就是說(shuō)，子線程B中的任意操作，happens-before join()的返回。

• 內(nèi)存屏障

內(nèi)存屏障，也稱內(nèi)存柵欄，內(nèi)存柵障，屏障指令等， 是一類同步屏障指令，是CPU或編譯器在對(duì)內(nèi)存隨機(jī)訪問(wèn)的操作中的一個(gè)同步點(diǎn)，使得此點(diǎn)之前的所有讀寫操作都執(zhí)行后才可以開始執(zhí)行此點(diǎn)之后的操作。

• Synchronized

Synchronization有多種語(yǔ)義，其中最容易理解的是互斥，對(duì)于一個(gè)monitor對(duì)象，只能夠被一個(gè)線程持有，意味著一旦有線程進(jìn)入了同步代碼塊，那么其它線程就不能進(jìn)入直到第一個(gè)進(jìn)入的線程退出代碼塊（這因?yàn)槎寄芾斫?#xff09;。

但是更多的時(shí)候，使用synchronization并非單單互斥功能，Synchronization保證了線程在同步塊之前或者期間寫入動(dòng)作，對(duì)于后續(xù)進(jìn)入該代碼塊的線程是可見(jiàn)的（又是可見(jiàn)性，不過(guò)這里需要注意是對(duì)同一個(gè)monitor對(duì)象而言）。在一個(gè)線程退出同步塊時(shí)，線程釋放monitor對(duì)象，它的作用是把CPU緩存數(shù)據(jù)（本地緩存數(shù)據(jù)）刷新到主內(nèi)存中，從而實(shí)現(xiàn)該線程的行為可以被其它線程看到。在其它線程進(jìn)入到該代碼塊時(shí)，需要獲得monitor對(duì)象，它在作用是使CPU緩存失效，從而使變量從主內(nèi)存中重新加載，然后就可以看到之前線程對(duì)該變量的修改。

但從緩存的角度看，似乎這個(gè)問(wèn)題只會(huì)影響多處理器的機(jī)器，對(duì)于單核來(lái)說(shuō)沒(méi)什么問(wèn)題，但是別忘了，它還有一個(gè)語(yǔ)義是禁止指令的重排序，對(duì)于編譯器來(lái)說(shuō)，同步塊中的代碼不會(huì)移動(dòng)到獲取和釋放monitor外面。

• Volatile

Volatile字段主要用于線程之間進(jìn)行通信，volatile字段的每次讀行為都能看到其它線程最后一次對(duì)該字段的寫行為，通過(guò)它就可以避免拿到緩存中陳舊數(shù)據(jù)。它們必須保證在被寫入之后，會(huì)被刷新到主內(nèi)存中，這樣就可以立即對(duì)其它線程可以見(jiàn)。類似的，在讀取volatile字段之前，緩存必須是無(wú)效的，以保證每次拿到的都是主內(nèi)存的值，都是最新的值。volatile的內(nèi)存語(yǔ)義和sychronize獲取和釋放monitor的實(shí)現(xiàn)目的是差不多的。

對(duì)于重新排序，volatile也有額外的限制

• Final

如果一個(gè)類包含final字段，且在構(gòu)造函數(shù)中初始化，那么正確的構(gòu)造一個(gè)對(duì)象后，final字段被設(shè)置后對(duì)于其它線程是可見(jiàn)的。

這里所說(shuō)的正確構(gòu)造對(duì)象，意思是在對(duì)象的構(gòu)造過(guò)程中，不允許對(duì)該對(duì)象進(jìn)行引用，不然的話，可能存在其它線程在對(duì)象還沒(méi)構(gòu)造完成時(shí)就對(duì)該對(duì)象進(jìn)行訪問(wèn)，造成不必要的麻煩。

• 鎖

關(guān)于鎖，我寫過(guò)的一篇。

https://blog.csdn.net/qq_41946557/article/details/101098759

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的无招胜有招之Java进阶JVM（四）内存模型plus的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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