這篇文章主要介紹“Java內(nèi)存模型的工作模式是什么”，在日常操作中，相信很多人在Java內(nèi)存模型的工作模式是什么問題上存在疑惑，小編查閱了各式資料，整理出簡單好用的操作方法，希望對大家解答”Java內(nèi)存模型的工作模式是什么”的疑惑有所幫助！接下來，請跟著小編一起來學(xué)習(xí)吧！

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引入緩存

現(xiàn)代計算機中，CPU的指令速度遠超內(nèi)存的存取速度，由于CPU和內(nèi)存的運算速度有幾個數(shù)量級的差距，所以現(xiàn)代計算機系統(tǒng)加入一層讀寫速度盡可能接近CPU運算速度的高速緩存（Cache）來作為內(nèi)存與處理器之間的緩沖，將運算需要使用到的數(shù)據(jù)復(fù)制到緩存中，CPU運算操作的是內(nèi)存數(shù)據(jù)的副本，當(dāng)運算結(jié)束后再從緩存將副本數(shù)據(jù)同步回內(nèi)存之中，這樣處理器就無須等待緩慢的內(nèi)存讀寫了。

讀取緩存

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。

SMP結(jié)構(gòu)組成

計算機在運行中，先從內(nèi)存中取出第一條指令，通過控制器譯碼，按照指令的要求從存儲器中取出數(shù)據(jù)進行制定的邏輯運算后再按照內(nèi)存地址把結(jié)果寫回內(nèi)存中，接著再取出來第二條指令，依次遍歷執(zhí)行下去。

SMP邏輯結(jié)構(gòu)（cpu與緩存的一致性）

• 單線程：CPU核心緩存只被一個線程訪問。緩存獨占，不會出現(xiàn)訪問沖突問題。

• 單核 CPU，多線程：進程中的多個線程會同時訪問進程中的共享數(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，何時候只有一個線程在執(zhí)行，不會發(fā)生訪問沖突的問題。

• 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Cache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)就有不一致性的問題(并發(fā)導(dǎo)致的根源問題)。

CPU多核緩存架構(gòu)（MESI的實現(xiàn)）

為了解決這個問題，需要各個處理器訪問緩存時都遵循一些協(xié)議，在讀寫時要根據(jù)協(xié)議來進行操作，這個協(xié)議就是MESI協(xié)議（緩存一致性協(xié)議）

1. 在不同的硬件生產(chǎn)商和不同的操作系統(tǒng)下，內(nèi)存的訪問邏輯有一定的差異，結(jié)果就是當(dāng)你的代碼在某個系統(tǒng)環(huán)境下運行良好，并且線程安全，但是換了個系統(tǒng)就出現(xiàn)各種問題；

2. 這是因為不同的處理器，在處理器優(yōu)化和指令重排等方面存在差異，造成同樣的代碼，在經(jīng)過不同的處理器優(yōu)化和指令重排后，最后執(zhí)行出來的結(jié)果可能不同，這是我們所不能接受的。

3. JMM就應(yīng)運而生了，究其根本就是為了解決在并發(fā)環(huán)境下，保證數(shù)據(jù)的安全，滿足場景的可見性、原子性、有序性。

CPU線程切換導(dǎo)致原子性問題（原子性）

原子性：把一個操作或者多個操作視為一個整體，在執(zhí)行的過程不能被中斷的特性叫原子性。

• 為了最大化的利用CPU，CPU采用時間片的方式，切換線程執(zhí)行。而在切換線程的過程中會導(dǎo)致原子性問題

指令重排序問題（有序性）

進程和線程的本質(zhì)是增加并行/并發(fā)的任務(wù)數(shù)量來提高CPU的執(zhí)行效率，緩存的本質(zhì)是通過減少IO時間來提升CPU的利用率。

1. CPU指令優(yōu)化的初衷就是想通過調(diào)整CPU指令的執(zhí)行順序或異步化的操作來提升CPU執(zhí)行指令的效率。

2. 為了使得處理器內(nèi)部的運算單元能盡量被充分利用，處理器可能會對輸入代碼進行亂序執(zhí)行優(yōu)化，處理器會在計算之后將亂序執(zhí)行的結(jié)果重組，優(yōu)化原則是保證重排序后不影響單線程執(zhí)行結(jié)果（As If Serial）。

3. 重排序的大體邏輯就是優(yōu)先把CPU比較耗時的指令放到最先執(zhí)行，然后在這些指令執(zhí)行的空余時間來執(zhí)行其他指令。**Java虛擬機的即時編譯器中也有類似的指令重排序優(yōu)化。

（編譯操作-（語義優(yōu)化）指令重排->處理器級別重排（指令優(yōu)化）->內(nèi)存玉華指令重排（內(nèi)存分析優(yōu)化））

內(nèi)存模型

為了保證共享內(nèi)存使用的正確性（原子性、有序性、可見性），內(nèi)存模型定義了共享內(nèi)存中多線程讀寫操作的規(guī)范。通過這些規(guī)則來規(guī)范對主內(nèi)存的讀寫，從而保障指令的正確執(zhí)行。

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。

Java內(nèi)存模型（JMM）

JMM是一種規(guī)范，目的是解決由于多線程通過共享內(nèi)存進行通信時，存在的工作內(nèi)存數(shù)據(jù)不一致、編譯器對代碼指令重排序、處理器對代碼亂序執(zhí)行、CPU切換線程等帶來的問題。

• JMM從java 5開始的JSR-133發(fā)布后，就比較成熟完善了；

JMM是符合內(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制。（如同JVM一樣標(biāo)準規(guī)范）。

Java線程內(nèi)存模型規(guī)定：

1. 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)存中進行，而不能直接讀寫主內(nèi)存。

2. 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)存和主存之間進行數(shù)據(jù)同步進行，也規(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。

內(nèi)存交互操作

內(nèi)存交互操作有8種，虛擬機實現(xiàn)必須保證每一個操作都是原子的，不可在分的：

• lock（鎖定）：作用于主內(nèi)存的變量，把一個變量標(biāo)識為線程獨占狀態(tài)

• unlock（解鎖）：作用于主內(nèi)存的變量，它把一個處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來，釋放后的變量才可以被其他線程鎖定

• read（讀取）：作用于主內(nèi)存變量，它把一個變量的值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)骄€程的工作內(nèi)存中，以便隨后的load動作使用

• load（載入）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把read操作從主存中變量放入工作內(nèi)存中;

• use（使用）：作用于工作內(nèi)存中的變量，它把工作內(nèi)存中的變量傳輸給執(zhí)行引擎，每當(dāng)虛擬機遇到一個需要使用到變量的值，就會使用到這個指令

• assign（賦值）：作用于工作內(nèi)存中的變量，它把一個從執(zhí)行引擎中接受到的值放入工作內(nèi)存的變量副本中

• store（存儲）：作用于主內(nèi)存中的變量，它把一個從工作內(nèi)存中一個變量的值傳送到主內(nèi)存中，以便后續(xù)的write使用

• write（寫入）：作用于主內(nèi)存中的變量，它把store操作從工作內(nèi)存中得到的變量的值放入主內(nèi)存的變量中

JMM對這八種指令的使用，制定了如下規(guī)則：

1. 不允許read和load、store和write操作之一單獨出現(xiàn)，即使用了read必須load，使用了store必須write

2. 不允許線程丟棄他最近的assign操作，即工作變量的數(shù)據(jù)改變了之后，必須告知主存，不允許一個線程將沒有assign的數(shù)據(jù)從工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存。

3. 一個新的變量必須在主內(nèi)存中誕生，不允許工作內(nèi)存直接使用一個未被初始化的變量。就是對變量實施use、store操作之前，必須經(jīng)過load、assign操作。

4. 一個變量同一時間只有一個線程能對其進行l(wèi)ock。多次lock后，必須執(zhí)行相同次數(shù)的unlock才能解鎖。

5. 如果對一個變量進行l(wèi)ock操作，會清空所有工作內(nèi)存中此變量的值，在執(zhí)行引擎使用這個變量前，必須重新load或assign操作初始化變量的值。

6. 如果一個變量沒有被lock，就不能對其進行unlock操作。也不能unlock一個被其他線程鎖住的變量。

7. 對一個變量進行unlock操作之前，必須把此變量同步回主內(nèi)存。

特征

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；

Java可見性，可以使用 volatile 關(guān)鍵字，那就是被其修飾的變量在被修改后會立即同步到主內(nèi)存（其實也是要反應(yīng)時間的）主要靠內(nèi)存屏障；

Java 中的 Synchronized 和 Final 兩個關(guān)鍵字也可以實現(xiàn)可見性；

原子性

• 是指在一個操作中被當(dāng)作一個整體，要么一起執(zhí)行，要么就不執(zhí)行；

• 為了保證原子性，Java提供了兩個高級的字節(jié)碼指令 Monitorenter和 Monitorexit，對應(yīng)的關(guān)鍵字就是 Synchronized；

有序性

• 程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行；

• 可以使用 synchronized 和 volatile 來保證多線程之間操作的有序性，只是兩者實現(xiàn)的方式不一樣，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；

到這里，我們似乎發(fā)現(xiàn)了，Synchronized 好像可以同時滿足三種特征，這也是Synchronized 被用的很頻繁的原因，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。

Happen-Before 規(guī)則

分析一個并發(fā)程序是否安全，更多時候其實都依賴Happen-Before原則進行分析。

就是當(dāng)A操作先行發(fā)生于B操作，則在發(fā)生B操作的時候，操作A產(chǎn)生的影響能被B觀察到，“影響”包括修改了內(nèi)存中的共享變量的值、發(fā)送了消息、調(diào)用了方法等；

• 程序次序規(guī)則（Program Order Rule）：在一個線程內(nèi)，程序的執(zhí)行規(guī)則跟程序的書寫規(guī)則是一致的，從上往下執(zhí)行。

• 管程鎖定規(guī)則（Monitor Lock Rule）：一個Unlock的操作肯定先于下一次Lock的操作。這里必須是同一個鎖。同理我們可以認為在synchronized同步同一個鎖的時候，鎖內(nèi)先行執(zhí)行的代碼，對后續(xù)同步該鎖的線程來說是完全可見的。

• volatile變量規(guī)則（volatile Variable Rule）：對同一個volatile的變量，先行發(fā)生的寫操作，肯定早于后續(xù)發(fā)生的讀操作

• 線程啟動規(guī)則（Thread Start Rule）：Thread對象的start()方法先行發(fā)生于此線程的沒一個動作

• 線程中止規(guī)則（Thread Termination Rule）：Thread對象的中止檢測（如：Thread.join()，Thread.isAlive()等）操作，必行晚于線程中所有操作

• 線程中斷規(guī)則（Thread Interruption Rule）：對線程的interruption（）調(diào)用，先于被調(diào)用的線程檢測中斷事件(Thread.interrupted())的發(fā)生

• 對象中止規(guī)則（Finalizer Rule）：一個對象的初始化方法先于一個方法執(zhí)行Finalizer()方法

• 傳遞性（Transitivity）：如果操作A先于操作B、操作B先于操作C,則操作A先于操作C

到此，關(guān)于“Java內(nèi)存模型的工作模式是什么”的學(xué)習(xí)就結(jié)束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實踐的搭配能更好的幫助大家學(xué)習(xí)，快去試試吧！若想繼續(xù)學(xué)習(xí)更多相關(guān)知識，請繼續(xù)關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)網(wǎng)站，小編會繼續(xù)努力為大家?guī)砀鄬嵱玫奈恼拢?/p>
新聞標(biāo)題：Java內(nèi)存模型的工作模式是什么
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