不再迷惑的Java内存模型

一直以来，java内存模型都是让人很迷惑的东西，很多书籍，博客都有对它的相关介绍，很多人读完后，还是搞不清楚。而且这个东西和JVM的内存结构又很容易混淆，很多博客讲解内存模型都会当成JVM的内存结构去讲，甚至我身边有着好几年java工作经验的人，都搞不明白，说一些堆，虚拟机栈啥的。所以呢，今天就和读者一起来探究java内存模型到底是什么东西。这个模型是干嘛用的。

一说到模型，我相信很多人脑海中就会想象出一个具体的模型画面出来，由什么样的结构组成啊。但是，java内存模型却并不是这样的，所以才让很多的java学习者感到难以理解。在介绍Java内存模型之前，先说一下内存模型这个东西，在《深入理解Java虚拟机》中介绍 这是在特定的操作协议下，对特定的内存或高速缓存进行读写访问的过程抽象。怎么样，这个解释是不是很让人懵逼。

内存模型，实际上这是一个跟计算机硬件有关的概念。计算机在执行程序时，每条指令都是由CPU去执行的。在执行的时候，数据是存放在主存中，也就是计算机的物理内存,每次要将数据从主存读取到CPU中，再去执行，把执行后的结果再写回到内存中。但是随着CPU的执行速度越来越快，从内存中读取和写入数据的速度和CPU的执行速度相比，差距就越来越大，这样就导致了CPU效率低下，每次不得不耗费很多时间来等待数据的读取和写入。

后来，人们在CPU和内存之间加入了高速缓存，现在的CPU中已经包含了高速缓存。缓存就是保存一份数据的拷贝，特点就是速度快，内存小，而且很贵。这样以后程序执行就变成了这个样子：程序运行时，先将需要的数据从主存中拷贝一份到高速缓存，CPU进行计算可以直接从它的高速缓存中读取和写入数据，再将高速缓存中的数据刷新到主内存中。在后来计算机从单核CPU发展到多核CPU，也开始支持多线程。这样就会出现缓存不一致的问题。我们来看一下，这个问题是什么，当多个线程在不同的核心上分别执行，每个核心都会在各自的缓存中保留一份共享内存的副本，这样由于多核时可以并行的，可能会出现多个线程同时对各自的缓存进行写操作，这样各自的缓存之间的数据就会出现不一致的情况。举个例子：一家由多个合伙人创办的公司，合伙人A觉得员工小王天天偷懒，溜须拍马，打算辞退他，就让自己的秘书去办这件事，合伙人B觉得员工小王说话做事有一套，打算给他升职，也让自己的秘书去办这件事，结果，A的秘书办事比较快，立马就通知人事把小王开了，A就已经知道了小王被开除，此时，B还不知道小王被开，B的秘书也去办，这样就出了问题。

这种基于高速缓存的存储交互很好地解决了CPU与内存的速度矛盾，但是它引来了一个新的问题：缓存一致性。为了解决这个问题，需要各个处理器访问缓存时都要遵循一些协议，在读写时根据协议来进行操作，这类协议有MSI,MESI，Synapse等。除了这种情况，还有一种硬件问题也比较重要，那就是为了使处理器内部的运算单元能尽量被充分利用，处理器可能会对输入代码进行乱序执行，处理器会在计算之后将乱序执行的结果重组，保证该结果与顺序执行的结果是一致的。这就是指令重排序优化。

上面所提到的缓存一致性，和指令重排序问题都是随着硬件的不断升级导致的，有什么办法能够解决这些问题呢。在这里就引入了内存模型这个概念，就是为了保证共享内存的正确性，定义了共享内存中多线程读写操作行为的规范。那么什么是Java内存模型呢，在《深入理解Java虚拟机》中是这样介绍的，Java内存模型是可以屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致内存访问效果这样一种规范。

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中，每条线程还有自己的工作内存，线程的工作内存中保存了被该线程使用到的变量的主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量，不同线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值的传递均需要通过主内存去完成。它们之间的交互关系如图所示：

在主内存与工作内存交互的细节上，java内存模型定义了以下8种操作来完成。这8种操作都是原子的。分别是lock(锁定)，unlock(解锁)，read(读取)，load(载入)，use(使用)，assign(赋值)，store(存储)，write(写入)。如果要把一个变量从主内存复制到工作内存，那就要顺序执行read和load操作，如果要把变量从工作内存同步到主内存，就要顺寻执行store和write操作，同时java内存模型还规定了在执行这8种基本操作需要满足的规则，这里我就不再详述了，可以去看一下《深入理解Java虚拟机》。

另外，Java提供了一系列和并发处理相关的关键字，比如volatile,synchronized,final,concurrent包，这些关键字实际上就是java内存模型封装了底层的实现提供给开发者使用，从而不需要关心底层编译器优化，缓存一致性等问题，保证并发场景中的原子性，可见性，有序性。这些关键字的介绍，网上都有很多相关资料，读者可以自行去查看，

下面来介绍一下原子性，可见性，有序性这三个特性。

原子性：这个大家应该都很好理解，就是保证一个或一组操作是不可中断的，要么完成，要么不发生。在Java中可以使用synchronized关键字来保证方法或代码块的操作是原子性的。

可见性：可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即得知这个修改，volatile,synchronized,final都可以实现可见性。

有序性：就是程序执行的顺序按照代码的先后顺序去执行。java内存模型允许编译器和处理器对指令进行重排序，但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。java提供了volatile,synchronized这两个关键字来保证线程之间操作的有序性。

如果Java内存模型中所有的有序性都仅仅靠volatile和synchronized来完成，那么是不是很繁琐呀，实际上，Java语言里有一个先行发生（happens-before）的原则。这个原则是判断数据是否存在竞争，线程是否安全的重要依据。先行发生是Java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系，如果说操作A先行发生于操作B，那么操作A产生的影响能被操作B观察到。这个影响包括了修改了内存中共享变量的值，发送了消息，调用了方法等。

总结一下：Java内存模型是一种规范，目的是解决多线程通信之间造成的缓存一致性，编译器和处理器的指令重排序所带来的问题，从而保证并发场景下的原子性，可见性，有序性。