面试java内存模型

JAVA内存模型

今天我们讲一下java内存模型（JMM）,JMM的问题在面试中经常被问到，我们今天就讲一下这道题.

在正式Java内存模型之前，先讲一下机器硬件CPU.

计算机的并发问题和虚拟机的情况有不少相似之处，我们知道所有的运算操作都是由CPU完成的.CPU指令就牵扯到了数据的操作，难免就会和主内存打交道，虽然CPU发展的性能越来越好，但还是受限于内存的访问速度，通常这种差异是千差万别的，极端情况甚至上万倍.

基于上面原因，便有了加入缓存(CPU Cache)的机制,CPU Cache 充当CPU 和主内存的缓冲，就有了下面的操作

1. 将数据先放到缓存中
2. CPU就可以直接拿缓存的数据计算处理
3. 处理完之后就再放回主内存中

下面就是CPU的架构图

虽然这样解决速度的问题，但是也带来了另外一个问题，缓存一致性，举个例子如i++。

1. 读取主内存的 i到CPU Cache中
2. 对进行加一操作
3. 将结果写到CPU Cache中
4. 将数据刷新到主内存中。

i++在单线程不会有问题，但是多线程下就会有问题，假设i的初始值是0,两个线程本地都把i=0缓存到的CPU Cache中，然后都对i进行加一操作后，然后把他们放到主内存，就有可能存储的i还是1，这就是典型的缓存不一致.

这问题也有解决的办法，有两种:

1. 通过总线加锁的方式
2. 通过缓存一致性协议。

第一种是早期的解决办法， 他的原理就是一种悲观的实现，有多个CPU要和主内存交互的之前，都要和总线(数据总线，控制总线，地址总线)进行通信，总线只会允许一个CPU访问变量的主内存，这种效率太低，第二种，就是缓存一致性方式解决一致性问题，看一下的图，如下

缓存一致性最为出名的是Intel的MESI协议，保证了缓存使用中共享变量副本都是一致的，他的原理是:

1. CPU 操作Cache中的数据
2. 如果发现变量是共享变量，也就是说其他CPU中也有一个副本
3. 那么当读取数据时，不做任何处理
4. 如果是写操作，就是会让其他CPU的缓存失效，其他CPU就会从主内存再次获取。

理解了上面的内存，那对Java内存模型学习就很容易了，但是他们不是一个东西，我们先看一下Java内存模型是啥样子

java的内存模型决定了一个线程对共享变量的写入何时对其他线程可见，Java内存模型定义线程和主内存之间的抽象关系，具体如下

1. 共享变量存储于主内存，每个线程都可以访问
2. 每个线程都有私有的工作内存，或者成为本地内存
3. 工作内存只存储线程对变量的副本
4. 线程不能直接操作主内存，只有先操作工作内存之后,才能写入主内存
5. 工作内存和java内存模型都是抽象的概念，他并不真实存在，他涵盖了缓存,集萃器,编译器优化以及硬件等等

我们再来看一个例子

如图，本地内存A,和本地内存B有主内存中共享变量的X的副本，初始时，这3个内存中的x都是0，线程A执行后，把更新的值，临时放到自己的本地内存A中，当线程A和线程B通讯时候，线程A首先会把自己本地内存修改的值，放到主内存中，此时，B的本地内存已经失效，线程B到主内存拿到的值就是线程A更新后的值，线程B的本地内存就会变成1。这一点和CPU和CPU Cache 关系非常相似。

切记，他们并不完全一样，比如计算机物理内存不会存在栈内存，堆内存的划分，无论是堆内存还是虚拟机栈内存都会对应到物理的主内存，当然也有一部分的数据有可能存入CPU Cache寄存器中。如下图

JMM是一种规范，目的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,java中的许多关键字是使用java内存模型封装了底层给我们使用，如synchronized ,volatile,final.这里我们不展开讲解，有兴趣的可以自行学习。