JMM思维导图

梦里梦外; 2022-05-17 01:25 63阅读 0赞

JMM是java程序员必备的技能之一，虽说没必要将知识图谱中各个知识点，像背书一样把他流利的背下来，最起码，要理解消化。

几乎每种语言都有自己的内存模型。JMM，java memory model，java内存模型总有自己的来龙去脉。

这个要先从硬件 -  内存模型 - java内存模型讲起。

## 硬件基础 ##

计算机执行程序，每条指令代码都是在CPU中执行的，指令代码是用来操作数据的，而数据最开始都是存储在内存中。（这里埋下一个点，以后专门写一篇文章，来写元数据，代码是用来操作数据的，但是代码又何尝不是数据呢）。

刚开始，铢两相称，但是随着CPU和内存技术的发展，CPU远远的领先了。所以从内存读写的速度远远小于CPU的执行速度，导致CPU每次操作内存都需要大量的等待。所以，解决方式就是高速缓存（这个思路，就好比是系统配置放在一张数据库的表中，每次获取配置都从数据库拿，就慢了，可以将这个配置读取之后都放到缓存中），高速缓存保存一份数据的拷贝，高速缓存的特点就是速度快，内存小，并且昂贵，现在技术上还做不到将高速缓存的技术直接应用到内存。

随着CPU能力的不断提升，一层缓存就慢慢不能解决需求了，所以就衍生了多级缓存。

现阶段，按照数据的读取顺序，各个厂商的CPU缓存可以分为一级缓存L1，二级缓存L2，三级缓存L3，L1和L2 cpu独享，L3共享，个别多核CPU，L1独享，L2和L3共享。技术和成本是依次递减，容量是递增的。

缓存之间是要遵循一个MESI的协议规定的，并且不同的CPU厂商在这个协议基础上，有自己的改进，就比如说intel i7的缓存，可以通过cache line直接将数据送给其他cpu。这个MESI可以暂时放放，不影响我们接下来要说的事情。

总之，当CPU要读取数据时，先从一级缓存找，没有，就从二级缓存找，如果还是没有就从三级缓存找。（这里又会有一个引申的问题，缓存中到底应该存哪些数据呢，可以参考LRU等等算法）

缓存跟内存通信中， 使用的就是缓存行，cache line，缓存行是缓存和内存交换数据的最小单位，一般为64字节。即每次缓存和内存之间进行数据交换的时候，都是以字节对齐的连续64字节的内存块整个进行（java volatile 关键字也是使用了字节对齐的技术）。

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现在我们抽象一下，减少下复杂度。假设现在有一台多核cpu的机器，每个core都是单线程操作，主存中有一个变量X，这个X是一个热数据，所以core1 和core2 的L1的中都会有一份这个x的拷贝副本，如果core1改变了L1中的x的内容，这个时候core2 的L1中的x值就可以说是失效的，那么这个时候就会出现**缓存一致性**的问题。

当前core1中，处理的代码逻辑本来应该是将一个新的变量赋值给x，然后将x的新值赋给y，处理器可能会对代码进行乱序执行处理，如果这个顺序颠倒了，那么就会出现y的值本来应该存储更改过的x值，但是实际上却保存的是更改之前的x值，这个就是**处理器优化**

## 内存模型 ##

并发编程主要的问题，主要就分为三种，原子性，有序性，可见性。

原子性：就是指一个完整的操作在CPU要不就执行完，要不就不执行

有序性：就是指代码按照代码的顺序执行完

可见性：就是多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了变量的值，能够立马对另一个线程可见 。

为了并发编程中可以满足以上三个特点，就有一个抽象，推出了内存模型的概念。

而上面，硬件相关的部分中，多核cpu的告诉缓存提出的缓存一致性问题，实际上就抽象出来内存模型的可见性。cpu的乱序执行抽象出来就是内存模型中的原子性和有序性，后面讲述java虚拟机的时候，也会提到java虚拟机的JIT即时编译器也会做指令重排的，参与抽象出内存模型中的原子性和有序性。

总结起来，内存模型是什么，他定义了共享内存系统多线程操作的行为规范，他是一种抽象，抽象了硬件中缓存一致性，处理器优化等问题。

内存模型解决并发问题主要采用两种方式：**限制处理器优化和使用内存屏障**。

## JMM Java内存模型 ##

现在就好解释了把，java内存模型，是一种符合内存模型规范，java自己实现的内存模型，因为java是跨平台的，java内存模型屏蔽了各种硬件和操作系统的差异，保证了java程序在各种硬件和平台对内存访问都一致的规范。

Java内存模型，现阶段的内存模型都是建立在jdk5新内存模型基础上的，主要要参考JSR-133 官方定义的规范。

java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中（堆中），每条线程都有自己的工作内存（线程栈），线程的工作内存（栈）中保存了主存中（堆）变量的拷贝。线程都是在自己的工作内存中（线程栈中）操作主存中（堆）变量的副本拷贝，不能直接操作主存（堆）中的变量。

JMM的作用就是决定了如何以及何时在工作内存（线程栈）和主存（堆）中数据同步。

所以再来总结下，JMM就是一种规范，规范了多线程中如何通过共享内存进行通信，解决本地内存数据不一致、编译器会对代码指令重排序、cpu会对代码乱序执行等问题。

这里再提一嘴，线程间如何通信，主要有两种方式，一种就是上面说到的通过共享内存，另外一种就是信号量。这个还是可以后面专门写一篇文章来讲述。

## Java内存模型的实现 ##

java中提供了一系列和并发处理相关的关键字，比如volatile、synchronized、final、JUC包等等。之前我也写过了几个JUC java.until.concurrent包下的类的示例，比如说reentrantlock、countdownlatch等等相关封装好的包，实际上JUC包的关键类就是aqs, abstractsynchronizedquee，通过子类继承这个队列同步器，实现模版方法，并且将子类组合到自定义同步器中使用相关的方法即可，这个之前有文章写过了。

其实以上这些就是java内存模型封装了底层的实现后提供给程序员试用的一些关键词。 所以下面这个图就是整个的学习路线，后面找一些关键的讲述下。

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