Java面试-什么是JMM？

一、引言

本篇文章将从计算机硬件、操作系统、Java语言，一环扣一环的引出Java内存模型存在的意义，让大家对Java内存模型（JMM）有较为深刻的理解。

二、CPU&&内存

总所周知CPU和内存是计算机中两个重要的组成部分，其中CPU负责计算，内存负责存储数据，每次CPU计算前都需要从内存获取数据。我们知道CPU的运行速度远远快于内存的速度，因此会出现CPU等待内存读取数据的情况。 由于两者的速度差距实在太大，为了加快运行速度，于是计算机的设计者在CPU中加了一个CPU高速缓存。这个CPU高速缓存的速度介于CPU与内存之间，每次需要读取数据的时候，先从内存读取到CPU缓存中，CPU再从CPU缓存中读取。

随着多核技术的出现，CPU的计算能力进一步提高。原本同一时间只能运行一个任务，但现在可以同时运行多个任务。多核CPU的出现，提高了CPU的处理速度，同时也带来了新的问题：缓存一致性。 多核系统中，每个处理器都有自己的高速缓存，而它们又共享同一主内存。当多个CPU的运算任务都涉及同一块主内存区域时，可能导致各自的缓存数据不一致。如果发生了这种情况，那同步回主内存时以哪个CPU高速缓存的数据为准呢？ 首先明确这个是硬件层面的问题，与具体的操作系统和编程语言无关，那么这就需要CPU厂商来做这个事，答案是“缓存一致性协议”。

所谓的缓存一致性协议，指的是在CPU高速缓存与主内存交互的时候，遵守特定的规则，这样就可以避免数据一致性问题了。 在不同的CPU中，会使用不同的缓存一致性协议。例如，MESI协议用于奔腾系列的CPU中，而MOSEI协议则用于AMD系列CPU中，Intel的core i7处理器使用MESIF协议。 至于协议的具体内容，大家可以自行用搜索引擎检索。无外乎是定义了一些内存状态，然后通过消息的方式通知其他CPU高速缓存，从而解决了数据一致性的问题

三、操作系统

操作系统，它屏蔽了底层硬件的操作细节，将各种硬件资源虚拟化，方便我们进行上层软件的开发，它将硬件进行封装，然后抽象出一些概念，例如CPU时间片、内核态、用户态等。 因此，操作系统抽象出来的CPU与内存也会面临这样的问题——缓存数据一致性。通过把在特定的操作协议下，对特定内存或高速缓存进行读写访问的过程进行抽象，得到的就是操作系统内存模型。无论是macOS，还是linux，它们都有着自己特定的内存模型。 Java语言是建立在操作系统上层的高级语言，它只能与操作系统进行交互，而不与硬件进行交互。与操作系统相对于硬件类似，操作系统需要抽象出内存模型，那么Java语言也需要抽象出相对于操作系统的内存模型。一般来说，编程语言也可以直接复用操作系统层面的内存模型，例如，C++语言就是这么做的。但由于不同操作系统的内存模型不同，有可能导致程序在一套平台上并发完全正常，而在另外一套平台上并发访问却经常出错。因此在某些场景下，就必须针对不同的平台来编写程序。

四、JMM

JMM即Java Memory Model，那么为什么会有它呢？大多数人刚学Java时常会听到的一句英文——“Write Once, Run Anywhere”，简单的说就是为了屏蔽各种硬件或者系统内存的访问差异，实现了Java程序在各种平台都能达到一致的内存访问效果。完美解决上一小节所说的针对不同的平台来编写程序问题。 如果简单的描述JMM定义，那么它是这样的，下图描述了线程、工作内存与主内存的关系，

这里明确一点，通常说的JVM内存模型定义的堆、栈、程序计数器等的划分与JMM不是同一层次的内存划分。Java内存模型定义了Java语言如何与内存进行交互，具体地说是Java语言运行时的变量，如何与我们的硬件内存进行交互的。而JVM内存模型，指的是JVM内存是如何划分的。 这里我们也可以立个Flag，未来的某一章研究一下JVM内存模型。 JMM的主要目标是定义程序中变量的访问规则，所有的共享变量都存储在主内存中，每个线程都有自己的工作内存，工作内存中保存的是主内存中变量的副本，线程对变量的读写等操作必须在自己的工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。 这里我们再简单的看下Java定义内存间的交互操作有哪些？要考，仔细读， JMM总共定义了8种操作，

不难看出这些操作有些是成对出现的，例如read和load、store和write操作是不允许单独出现的，即不能发生一个变量从主内存读取了但工作内存不接受，或者从工作内存发起回写了但主内存不接受的情况。 除了上述的规则外，还有其他的规则如下，

• 一个线程不能丢弃它的最近的assign操作
• 没有发生过任何assign操作，数据不能从工作内存同步回主内存中
• 一个变量实施use、store操作之前，必须先执行过了assign和load操作
• 同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作，同一线程可重复lock
• 对一个变量执行lock操作，那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前，需要重新执行load或assign操作初始化变量的值
• unlock操作需要在lock之后，一个被其他线程lock的变量自能有其他线程unlock
• 对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行store、write操作）

五、总结

• 多核CPU和高速缓存在存在，导致了缓存一致性问题，通过缓存一致性协议解决。
• 各个操作系统都有各自内存模型，对CPU高速缓存与缓存的读写访问过程进行抽象。
• Java语言作为运行在操作系统层面的高级语言，为了解决多平台运行的问题，在操作系统基础上进一步抽象，得到了 Java 语言层面上的内存模型。