為什么要有內(nèi)存模型

在介紹Java內(nèi)存模型之前，先來看一下到底什么是計算機(jī)內(nèi)存模型，然后再來看Java內(nèi)存模型在計算機(jī)內(nèi)存模型的基礎(chǔ)上做了哪些事情。要說計算機(jī)的內(nèi)存模型，就要說一下一段古老的歷史，看一下為什么要有內(nèi)存模型。

內(nèi)存模型，英文名Memory Model，他是一個很老的老古董了。他是與計算機(jī)硬件有關(guān)的一個概念。那么我先給你介紹下他和硬件到底有啥關(guān)系。

CPU和緩存一致性

我們應(yīng)該都知道，計算機(jī)在執(zhí)行程序的時候，每條指令都是在CPU中執(zhí)行的，而執(zhí)行的時候，又免不了要和數(shù)據(jù)打交道。而計算機(jī)上面的數(shù)據(jù)，是存放在主存當(dāng)中的，也就是計算機(jī)的物理內(nèi)存啦。

剛開始，還相安無事的，但是隨著CPU技術(shù)的發(fā)展，CPU的執(zhí)行速度越來越快。而由于內(nèi)存的技術(shù)并沒有太大的變化，所以從內(nèi)存中讀取和寫入數(shù)據(jù)的過程和CPU的執(zhí)行速度比起來差距就會越來越大,這就導(dǎo)致CPU每次操作內(nèi)存都要耗費很多等待時間。

這就像一家創(chuàng)業(yè)公司，剛開始，創(chuàng)始人和員工之間工作關(guān)系其樂融融，但是隨著創(chuàng)始人的能力和野心越來越大，逐漸和員工之間出現(xiàn)了差距，普通員工原來越跟不上CEO的腳步。老板的每一個命令，傳到到基層員工之后，由于基層員工的理解能力、執(zhí)行能力的欠缺，就會耗費很多時間。這也就無形中拖慢了整家公司的工作效率。

可是，不能因為內(nèi)存的讀寫速度慢，就不發(fā)展CPU技術(shù)了吧，總不能讓內(nèi)存成為計算機(jī)處理的瓶頸吧。

所以，人們想出來了一個好的辦法，就是在CPU和內(nèi)存之間增加高速緩存。緩存的概念大家都知道，就是保存一份數(shù)據(jù)拷貝。他的特點是速度快，內(nèi)存小，并且昂貴。

那么，程序的執(zhí)行過程就變成了：

當(dāng)程序在運行過程中，會將運算需要的數(shù)據(jù)從主存復(fù)制一份到CPU的高速緩存當(dāng)中，那么CPU進(jìn)行計算時就可以直接從它的高速緩存讀取數(shù)據(jù)和向其中寫入數(shù)據(jù)，當(dāng)運算結(jié)束之后，再將高速緩存中的數(shù)據(jù)刷新到主存當(dāng)中。

之后，這家公司開始設(shè)立中層管理人員，管理人員直接歸CEO領(lǐng)導(dǎo)，領(lǐng)導(dǎo)有什么指示，直接告訴管理人員，然后就可以去做自己的事情了。管理人員負(fù)責(zé)去協(xié)調(diào)底層員工的工作。因為管理人員是了解手下的人員以及自己負(fù)責(zé)的事情的。所以，大多數(shù)時候，公司的各種決策，通知等，CEO只要和管理人員之間溝通就夠了。

而隨著CPU能力的不斷提升，一層緩存就慢慢的無法滿足要求了，就逐漸的衍生出多級緩存。

按照數(shù)據(jù)讀取順序和與CPU結(jié)合的緊密程度，CPU緩存可以分為一級緩存（L1），二級緩存（L3），部分高端CPU還具有三級緩存（L3），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。

這三種緩存的技術(shù)難度和制造成本是相對遞減的，所以其容量也是相對遞增的。

那么，在有了多級緩存之后，程序的執(zhí)行就變成了：

當(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，如果還是沒有就從三級緩存或內(nèi)存中查找。

隨著公司越來越大，老板要管的事情越來越多，公司的管理部門開始改革，開始出現(xiàn)高層，中層，底層等管理者。一級一級之間逐層管理。

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。

公司也分很多種，有些公司只有一個大Boss，他一個人說了算。但是有些公司有比如聯(lián)席總經(jīng)理、合伙人等機(jī)制。

單核CPU就像一家公司只有一個老板，所有命令都來自于他，那么就只需要一套管理班底就夠了。

多核CPU就像一家公司是由多個合伙人共同創(chuàng)辦的，那么，就需要給每個合伙人都設(shè)立一套供自己直接領(lǐng)導(dǎo)的高層管理人員，多個合伙人共享使用的是公司的底層員工。

還有的公司，不斷壯大，開始差分出各個子公司。各個子公司就是多個CPU了，互相之前沒有共用的資源。互不影響。

下圖為一個單CPU雙核的緩存結(jié)構(gòu)。

隨著計算機(jī)能力不斷提升，開始支持多線程。那么問題就來了。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。

單線程。cpu核心的緩存只被一個線程訪問。緩存獨占，不會出現(xiàn)訪問沖突等問題。

單核CPU，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，多線程。每個核都至少有一個L1 緩存。多個線程訪問進(jìn)程中的某個共享內(nèi)存，且這多個線程分別在不同的核心上執(zhí)行，則每個核心都會在各自的caehe中保留一份共享內(nèi)存的緩沖。由于多核是可以并行的，可能會出現(xiàn)多個線程同時寫各自的緩存的情況，而各自的cache之間的數(shù)據(jù)就有可能不同。

在CPU和主存之間增加緩存，在多線程場景下就可能存在緩存一致性問題，也就是說，在多核CPU中，每個核的自己的緩存中，關(guān)于同一個數(shù)據(jù)的緩存內(nèi)容可能不一致。

如果這家公司的命令都是串行下發(fā)的話，那么就沒有任何問題。

如果這家公司的命令都是并行下發(fā)的話，并且這些命令都是由同一個CEO下發(fā)的，這種機(jī)制是也沒有什么問題。因為他的命令執(zhí)行者只有一套管理體系。

如果這家公司的命令都是并行下發(fā)的話，并且這些命令是由多個合伙人下發(fā)的，這就有問題了。因為每個合伙人只會把命令下達(dá)給自己直屬的管理人員，而多個管理人員管理的底層員工可能是公用的。

比如，合伙人1要辭退員工a，合伙人2要給員工a升職，升職后的話他再被辭退需要多個合伙人開會決議。兩個合伙人分別把命令下發(fā)給了自己的管理人員。合伙人1命令下達(dá)后，管理人員a在辭退了員工后，他就知道這個員工被開除了。而合伙人2的管理人員2這時候在沒得到消息之前，還認(rèn)為員工a是在職的，他就欣然的接收了合伙人給他的升職a的命令。

處理器優(yōu)化和指令重排

上面提到在在CPU和主存之間增加緩存，在多線程場景下會存在緩存一致性問題。除了這種情況，還有一種硬件問題也比較重要。那就是為了使處理器內(nèi)部的運算單元能夠盡量的被充分利用，處理器可能會對輸入代碼進(jìn)行亂序執(zhí)行處理。這就是處理器優(yōu)化。

除了現(xiàn)在很多流行的處理器會對代碼進(jìn)行優(yōu)化亂序處理，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)的即時編譯器（JIT）也會做指令重排。

可想而知，如果任由處理器優(yōu)化和編譯器對指令重排的話，就可能導(dǎo)致各種各樣的問題。

關(guān)于員工組織調(diào)整的情況，如果允許人事部在接到多個命令后進(jìn)行隨意拆分亂序執(zhí)行或者重排的話，那么對于這個員工以及這家公司的影響是非常大的。

并發(fā)編程的問題

前面說的和硬件有關(guān)的概念你可能聽得有點蒙，還不知道他到底和軟件有啥關(guān)系。但是關(guān)于并發(fā)編程的問題你應(yīng)該有所了解，比如原子性問題，可見性問題和有序性問題。

其實，原子性問題，可見性問題和有序性問題。是人們抽象定義出來的。而這個抽象的底層問題就是前面提到的緩存一致性問題、處理器優(yōu)化問題和指令重排問題等。

這里簡單回顧下這三個問題，并不準(zhǔn)備深入展開，感興趣的讀者可以自行學(xué)習(xí)。我們說，并發(fā)編程，為了保證數(shù)據(jù)的安全，需要滿足以下三個特性：

原子性是指在一個操作中就是cpu不可以在中途暫停然后再調(diào)度，既不被中斷操作，要不執(zhí)行完成，要不就不執(zhí)行。

可見性是指當(dāng)多個線程訪問同一個變量時，一個線程修改了這個變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。

有序性即程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。

有沒有發(fā)現(xiàn)，緩存一致性問題其實就是可見性問題。而處理器優(yōu)化是可以導(dǎo)致原子性問題的。指令重排即會導(dǎo)致有序性問題。所以，后文將不再提起硬件層面的那些概念，而是直接使用大家熟悉的原子性、可見性和有序性。

什么是內(nèi)存模型

前面提到的，緩存一致性問題、處理器器優(yōu)化的指令重排問題是硬件的不斷升級導(dǎo)致的。那么，有沒有什么機(jī)制可以很好的解決上面的這些問題呢？

最簡單直接的做法就是廢除處理器和處理器的優(yōu)化技術(shù)、廢除CPU緩存，讓CPU直接和主存交互。但是，這么做雖然可以保證多線程下的并發(fā)問題。但是，這就有點因噎廢食了。

所以，為了保證并發(fā)編程中可以滿足原子性、可見性及有序性。有一個重要的概念，那就是——內(nèi)存模型。

為了保證共享內(nèi)存的正確性（可見性、有序性、原子性），內(nèi)存模型定義了共享內(nèi)存系統(tǒng)中多線程程序讀寫操作行為的規(guī)范。通過這些規(guī)則來規(guī)范對內(nèi)存的讀寫操作，從而保證指令執(zhí)行的正確性。它與處理器有關(guān)、與緩存有關(guān)、與并發(fā)有關(guān)、與編譯器也有關(guān)。他解決了CPU多級緩存、處理器優(yōu)化、指令重排等導(dǎo)致的內(nèi)存訪問問題，保證了并發(fā)場景下的一致性、原子性和有序性。

內(nèi)存模型解決并發(fā)問題主要采用兩種方式：限制處理器優(yōu)化和使用內(nèi)存屏障。本文就不深入底層原理來展開介紹了，感興趣的朋友可以自行學(xué)習(xí)。

什么是Java內(nèi)存模型

前面介紹過了計算機(jī)內(nèi)存模型，這是解決多線程場景下并發(fā)問題的一個重要規(guī)范。那么具體的實現(xiàn)是如何的呢，不同的編程語言，在實現(xiàn)上可能有所不同。

我們知道，Java程序是需要運行在Java虛擬機(jī)上面的，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，保證了Java程序在各種平臺下對內(nèi)存的訪問都能保證效果一致的機(jī)制及規(guī)范。

Java內(nèi)存模型規(guī)定了所有的變量都存儲在主內(nèi)存中，每條線程還有自己的工作內(nèi)存，線程的工作內(nèi)存中保存了該線程中是用到的變量的主內(nèi)存副本拷貝，線程對變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接讀寫主內(nèi)存。不同的線程之間也無法直接訪問對方工作內(nèi)存中的變量，線程間變量的傳遞均需要自己的工作內(nèi)存和主存之間進(jìn)行數(shù)據(jù)同步進(jìn)行。

而JMM就作用于工作內(nèi)存和主存之間數(shù)據(jù)同步過程。他規(guī)定了如何做數(shù)據(jù)同步以及什么時候做數(shù)據(jù)同步。

這里面提到的主內(nèi)存和工作內(nèi)存，讀者可以簡單的類比成計算機(jī)內(nèi)存模型中的主存和緩存的概念。特別需要注意的是，主內(nèi)存和工作內(nèi)存與JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)中的Java堆、棧、方法區(qū)等并不是同一個層次的內(nèi)存劃分，無法直接類比?！渡钊肜斫釰ava虛擬機(jī)》中認(rèn)為，如果一定要勉強(qiáng)對應(yīng)起來的話，從變量、主內(nèi)存、工作內(nèi)存的定義來看，主內(nèi)存主要對應(yīng)于Java堆中的對象實例數(shù)據(jù)部分。工作內(nèi)存則對應(yīng)于虛擬機(jī)棧中的部分區(qū)域。

所以，再來總結(jié)下，JMM是一種規(guī)范，目的是解決由于多線程通過共享內(nèi)存進(jìn)行通信時，存在的本地內(nèi)存數(shù)據(jù)不一致、編譯器會對代碼指令重排序、處理器會對代碼亂序執(zhí)行等帶來的問題。

Java內(nèi)存模型的實現(xiàn)

了解Java多線程的朋友都知道，在Java中提供了一系列和并發(fā)處理相關(guān)的關(guān)鍵字，比如volatile、synchronized、final、concurren包等。其實這些就是Java內(nèi)存模型封裝了底層的實現(xiàn)后提供給程序員使用的一些關(guān)鍵字。

在開發(fā)多線程的代碼的時候，我們可以直接使用synchronized等關(guān)鍵字來控制并發(fā)，從來就不需要關(guān)心底層的編譯器優(yōu)化、緩存一致性等問題。所以，Java內(nèi)存模型，除了定義了一套規(guī)范，還提供了一系列原語，封裝了底層實現(xiàn)后，供開發(fā)者直接使用。

本文并不準(zhǔn)備把所有的關(guān)鍵字逐一介紹其用法，因為關(guān)于各個關(guān)鍵字的用法，網(wǎng)上有很多資料。讀者可以自行學(xué)習(xí)。本文還有一個重點要介紹的就是，我們前面提到，并發(fā)編程要解決原子性、有序性和一致性的問題，我們就再來看下，在Java中，分別使用什么方式來保證。

原子性

在Java中，為了保證原子性，提供了兩個高級的字節(jié)碼指令monitorenter和monitorexit。這兩個字節(jié)碼，在Java中對應(yīng)的關(guān)鍵字就是synchronized。

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

可見性

Java內(nèi)存模型是通過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實現(xiàn)的。

Java中的volatile關(guān)鍵字提供了一個功能，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來保證多線程操作時變量的可見性。

除了volatile，Java中的synchronized和final兩個關(guān)鍵字也可以實現(xiàn)可見性。只不過實現(xiàn)方式不同，這里不再展開了。

有序性

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

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

好了，這里簡單的介紹完了Java并發(fā)編程中解決原子性、可見性以及有序性可以使用的關(guān)鍵字。讀者可能發(fā)現(xiàn)了，好像synchronized關(guān)鍵字是萬能的，他可以同時滿足以上三種特性，這其實也是很多人濫用synchronized的原因。

但是synchronized是比較影響性能的，雖然編譯器提供了很多鎖優(yōu)化技術(shù)，但是也不建議過度使用。

總結(jié)

在讀完本文之后，相信你應(yīng)該了解了什么是Java內(nèi)存模型、Java內(nèi)存模型的作用以及Java中內(nèi)存模型做了什么事情等。關(guān)于Java中這些和內(nèi)存模型有關(guān)的關(guān)鍵字，希望讀者還可以繼續(xù)深入學(xué)習(xí)，并且自己寫幾個例子親自體會一下。

可以參考《深入理解Java虛擬機(jī)》和《Java并發(fā)編程的藝術(shù)》兩本書。