Java高并发编程详解系列-内存模型

﹏ヽ暗。殇╰゛Y 2022-01-29 17:01 250阅读 0赞

> volatile关键字介绍，要了解volatile需要了解的还有Java内存模型，以及CPU内存模型等知识。首先从CPU和Java内存模型开始说起。

#### CPU Cache模型 ####

在之前的时候，分享过一个博客一篇博客，就是关于介绍CPU与内存速度不匹配的问题，为了解决这个问题，在CPU和内存之间设计了高速缓存，这个高速缓存出现就是解决CPU和RAM主存之间的速度不匹配。现在CPU的缓存已经增加到了三层。其中最靠近CPU的缓存称为L1，然后依次是L2，L3和主内存。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L25paHVpMTIz_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
  Cache的出现是为了解决CPU直接访问内存效率低下的问题，在程序运行的过程中会将运算需要的数据从主存中复制一份到CPUCache中，这样的话CPU就可以直接对CPUCache中的数据进行读写操作。计算结束之后将结果刷新到主存中，CPU直接访问Cache提高了访问的速度，提高提升了效率。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L25paHVpMTIz_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

##### CPU缓存一致性问题 #####

缓存的出现提升了CPU的运算效率，同时也出现了缓存不一致的问题，例如i++操作，在程序运行的过程中，首先将主存中的数据复制一份到CPU Cache中，然后从CPU缓存进行读写操作。

1.  读取 主存中的 i 到 Cache
2.  对Cache中的 i 进行加 1 操作
3.  然后将结果写回到Cache中
4.  将结果重新刷新到主存中

这样的操作在单线程的情况下是没有任何问题的，但是在多线程的情况下就会出现问题，因为我们知道多线程每个线程都会有自己的工作内存（这个可以参考Java内存模型）对于变量 i 来说在每个线程的本地内存中都会有一个对应Cache缓存中的结果。这样多个线程同时访问就会出现缓存不一致的问题。为了解决这个问题提出了两种解决方案  
**1.通过总线加锁的方式**  
**2.通过缓存一致性协议**

第一种方式通常存在于CPU中，是一种悲观的方式实现，CPU和其他组件的通信都是通过总线来实现的（这个在计算机组成原理中有过对应的介绍）。如果采用总线的方式会一个组件进行操作，会阻塞其他组件的操作。  
第二种方式是通过缓存一致性协议的方式来解决。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L25paHVpMTIz_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
缓存一致性协议使用最多的就是Intel的MESI协议，MESI协议保证了每一个缓存中使用共享变量都是一致的。大致思想是当CPU在操作Cache中的数据时候，如果发现这个变量为一个共享变量，也就是说在其他的Cache中也存在一个副本。具体操作  
**1.读操作。不做任何处理，只将Cache中的数据读取到寄存器中**  
**2.写入操作，发送信号通知其他CPU将变量Cache line设置为无效状态，其他的CPU进行操作的时候不得从主存中再次获取**

#### Java内存模型 ####

Java内存模型（Java Memory Mode,JMM）指定了Java虚拟机如何使用计算机的主存进行工作。如下图，可以看到每个线程都会有自己对应的操作内存，当然从JDK1.5开始使用JVM对虚拟机内存进行了新的定义。Java内存模型也定义了线程与主存之间的抽象对应关系。

1.  共享变量都存储在主内存中，可以被任意一个线程访问
2.  每个线程都有私有的工作内存，本地内存
3.  工作内存只存储该线程对应的共享变量副本
4.  线程不会直接操作主内存，是通过直接写到线程本地内存中，然后进入主内存
5.  线程的工作内存与虚拟机内存模型一样，是一个抽象的概念。并不是真实存在的。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L25paHVpMTIz_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

Java内存模型是一个抽象的概念，因为是个虚拟机的概念，所以与真实的硬件的内存并不完全一样，所以无论是JVM的堆内存和栈内存都会与计算机主内存进行对应。当然还有一部分的内存与Cache对应。如下图所示。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L25paHVpMTIz_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

## 总结 ##

以上主要是对CPU内存模型和JVM内存模型做了一定的介绍。为使用volatile关键字提出了一个概念上的理解，相比较于之前的概念，这个概念是理解起来比较困难的。所以要理解起来还是需要一定的时间。但是真正理解了这个也是比较容易的，主要要对JVM内存模型有一定的了解。这里提供一个链接https://blog.csdn.net/nihui123/article/details/89527876，和一张图。有助于对本篇文章的理解。  
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