什么是Java內存模型

這篇文章主要講解了“什么是Java內存模型”，文中的講解內容簡單清晰，易于學習與理解，下面請大家跟著小編的思路慢慢深入，一起來研究和學習“什么是Java內存模型”吧！

前言

Java并發編程系列開坑了，Java并發編程可以說是中高級研發工程師的必備素養，也是中高級崗位面試必問的問題，本系列就是為了帶讀者們系統的一步一步擊破Java并發編程各個難點，打破屏障，在面試中所向披靡，拿到心儀的offer，Java并發編程系列文章依然采用圖文并茂的風格，讓小白也能秒懂。

Java內存模型（Java Memory Model）簡稱J M M，作為Java并發編程系列的開篇，它是Java并發編程的基礎知識，理解它能讓你更好的明白線程安全到底是怎么一回事。

內容大綱

硬件內存模型

程序是指令與數據的集合，計算機執行程序時，是C P U在執行每條指令，因為C P U要從內存讀指令，又要根據指令指示去內存讀寫數據做運算，所以執行指令就免不了與內存打交道，早期內存讀寫速度與C P U處理速度差距不大，倒沒什么問題。

C P U緩存

隨著C P U技術快速發展，C P U的速度越來越快，內存卻沒有太大的變化，導致內存的讀寫（IO）速度與C P U的處理速度差距越來越大，為了解決這個問題，引入了緩存（Cache）的設計，在C P U與內存之間加上緩存層，這里的緩存層就是指C P U內的寄存器與高速緩存（L1,L2,L3）

上圖可以看出，C P U基本都是在和緩存層打交道，采用緩存設計彌補主存與C P U處理速度的差距，這種設計不僅僅體現在硬件層面，在日常開發中，那些并發量高的業務場景都能看到，但是凡事都有利弊，緩存雖然加快了速度，同樣也帶來了在多線程場景存在的緩存一致性問題，關于緩存一致性問題后面會說，這里大家留個印象。

Java內存模型

Java內存模型（Java Memory Model，J M M），后續都以J M M簡稱，J M M 是建立在硬件內存模型基礎上的抽象模型，并不是物理上的內存劃分，簡單說，為了使Java虛擬機(Java Virtual Machine，J V M)在各平臺下達到一致的內存交互效果，需要屏蔽下游不同硬件模型的交互差異，統一規范，為上游提供統一的使用接口。

J M M是保證J V M在各平臺下對計算機內存的交互都能保證效果一致的機制及規范。

不難發現J M M與硬件內存模型差別不大，可以簡單的把線程類比成Core核心，線程本地緩存類比成緩存層，如下圖所示

線程A執行流程

• 線程A從緩存獲取變量a

• 緩存未命中，從主存復制到緩存，此時a是0

• 線程A獲取變量a，執行計算

• 計算結果1，寫入緩存

• 計算結果1，寫入主存

線程B執行流程

• 線程B從緩存獲取變量a

• 緩存未命中，從主存復制到緩存，此時a是1

• 線程B獲取變量a，執行計算

• 計算結果2，寫入緩存

• 計算結果2，寫入主存

A、B兩個線程執行完后，線程A與線程B緩存數據不一致，這就是緩存一致性問題，一個是1，另一個是2，如果線程A再進行一次+1操作，寫入主存的還是2，也就是說兩個線程對a共進行了3次+1，期望的結果是3，最終得到的結果卻是2。

解決緩存一致性問題，就要保證可見性，思路也很簡單，變量寫入主存后，把其他線程緩存的該變量清空，這樣其他線程緩存未命中，就會去主存加載。

線程A執行流程

• 線程A從緩存獲取變量a

• 緩存未命中，從主存復制到緩存，此時a是0

• 線程A獲取變量a，執行計算

• 計算結果1，寫入緩存

• 計算結果1，寫入主存，并清空線程B緩存a變量

線程B執行流程

• 線程B從緩存獲取變量a

• 緩存未命中，從主存復制到緩存，此時a是1

• 線程B獲取變量a，執行計算

• 計算結果2，寫入緩存

• 計算結果2，寫入主存，并清空線程A緩存a變量

A、B兩個線程執行完后，線程A緩存是空的，此時線程A再進行一次+1操作，會從主存加載（先從緩存中獲取，緩存未命中，再從主存復制到緩存）得到2，最后寫入主存的是3，Java中提供了volatile修飾變量保證可見性（本文重點是J M M，所以不會對volatile做過多的解讀）。

看似問題都解決了，然而上面描述的場景是建立在理想情況（線程有序的執行），實際中線程可能是并發（交替執行），也可能是并行，只保證可見性仍然會有問題，所以還需要保證原子性。

原子性

原子性是指一個或者多個操作在C P U執行的過程中不被中斷的特性，要么執行，要不執行，不能執行到一半，為了直觀的了解什么是原子性，看看下面這段代碼

int a=0;
a++;

• 原子性操作：int a=0只有一步操作，就是賦值

• 非原子操作：a++有三步操作，讀取值、計算、賦值

如果多線程場景進行a++操作，僅保證可見性，沒有保證原子性，同樣會出現問題。

并發場景（線程交替執行）

• 線程A讀取變量a到緩存，a是0

• 進行+1運算得到結果1

• 切換到B線程

• B線程執行完整個流程，a=1寫入主存

• 線程A恢復執行，把結果a=1寫入緩存與主存

• 最終結果錯誤

并行場（線程同時執行）

• 線程A與線程B同時執行，可能線程A執行運算+1的時候，線程B就已經全部執行完成，也可能兩個線程同時計算完，同時寫入，不管是那種，結果都是錯誤的。

為了解決此問題，只要把多個操作變成一步操作，即保證原子性。

并發場景（線程A與線程B交替執行）

• 線程A獲取鎖成功

• 線程A讀取變量a到緩存，進行+1運算得到結果1

• 此時切換到了B線程

• 線程B獲取鎖失敗，阻塞等待

• 切換回線程A

• 線程A執行完所有流程，主存a=1

• 線程A釋放鎖成功，通知線程B獲取鎖

• 線程B獲取鎖成功，讀取變量a到緩存，此時a=1

• 線程B執行完所有流程，主存a=2

• 線程B釋放鎖成功

并行場景

• 線程A獲取鎖成功

• 線程B獲取鎖失敗，阻塞等待

• 線程A讀取變量a到緩存，進行+1運算得到結果1

• 線程A執行完所有流程，主存a=1

• 線程A釋放鎖成功，通知線程B獲取鎖

• 線程B獲取鎖成功，讀取變量a到緩存，此時a=1

• 線程B執行完所有流程，主存a=2

• 線程B釋放鎖成功

synchronized對共享資源代碼段上鎖，達到互斥效果，天然的解決了無法保證原子性、可見性、有序性帶來的問題。

雖然在并行場A線程還是被中斷了，切換到了B線程，但它依然需要等待A線程執行完畢，才能繼續，所以結果的原子性得到了保證。

有序性

在日常搬磚寫代碼時，可能大家都以為，程序運行時就是按照編寫順序執行的，但實際上不是這樣，編譯器和處理器為了優化性能，會對代碼做重排，所以語句實際執行的先后順序與輸入的代碼順序可能一致，這就是指令重排序。

可能讀者們會有疑問“指令重排為什么能優化性能？”，其實C P U會對重排后的指令做并行執行，達到優化性能的效果。

重排序前的指令

重排序后，對a操作的指令發生了改變，節省了一次Load a和Store a，達到性能優化效果，這就是重排序帶來的好處。

重排遵循as-if-serial原則，編譯器和處理器不會對存在數據依賴關系的操作做重排序，因為這種重排序會改變執行結果（即不管怎么重排序，單線程程序的執行結果不能被改變），下面這種情況，就屬于數據依賴。

int i = 10int j = 10//這就是數據依賴，int i 與 int j 不能排到 int c下面去int c = i + j

但也僅僅只是針對單線程，多線程場景可沒這種保證，假設A、B兩個線程，線程A代碼段無數據依賴，線程B依賴線程A的結果，如下圖（假設保證了可見性）

禁止重排場景（i默認0）

• 線程A執行i = 10

• 線程A執行b = true

• 線程B執行if( b )通過驗證

• 線程B執行i = i + 10

• 最終結果i是20

重排場景（i默認0）

• 線程A執行b = true

• 線程B執行if( b )通過驗證

• 線程B執行i = i + 10

• 線程A執行i = 10

• 最終結果i是10

為解決重排序，使用Java提供的volatile修飾變量同時保證可見性、有序性，被volatile修飾的變量會加上內存屏障禁止排序（本文重點是J M M，所以不會對volatile做過多的解讀）。

三大特性的保證

感謝各位的閱讀，以上就是“什么是Java內存模型”的內容了，經過本文的學習后，相信大家對什么是Java內存模型這一問題有了更深刻的體會，具體使用情況還需要大家實踐驗證。這里是億速云，小編將為大家推送更多相關知識點的文章，歡迎關注！