JVM系列（7）——java内存模型

偏执的太偏执、 2024-03-17 21:34 93阅读 0赞

### 一、什么是JMM ###

一种抽象的规范。每个JVM 的实现都要遵守这样的规范，这样才能保证Java程序能够“一次编写，到处运行”。  
内存模型描述了程序中**各个变量（实例域、静态域和数组元素）之间的关系**，以及在实际计算机系统中将变量**存储到内存和从内存中取出**这样的底层细节。

### 二、JMM结构 ###

#### 1、CPU缓存模型 ####

直接上图：  
![在这里插入图片描述][3b374e3accaa43d997f429dadf9b5129.png]  
《深入理解高并发编程》 6.1.2 章节CPU多级缓存架构原理。  
ps：挡住的字是，计算机中的主内存是所有cpu都可以访问的，并且主内存的容量比cpu缓存大。  
![在这里插入图片描述][18cbe00a25d742e0ba99fe03c6a55c07.png]  
图片来源：https://github.com/Snailclimb/JavaGuide/issues/1848  
解释一下：  
计算机在执行程序时，每条指令都是在CPU中执行的。而执行指令的过程中，势必涉及到数据的读取和写入。  
程序运行过程中的临时数据是存放在主存（物理内存）当中的，这个时候，在读取写入数据时，**CPU处理速度是远远大于内存的处理速度的！两个完全不一致。**  
CPU缓存模型的工作方式： 先复制一份数据到 CPU Cache 中，当 CPU 需要用到的时候就可以直接从 CPU Cache 中读取数据，当运算完成后，再将运算得到的数据写回 Main Memory 中。但是，依然会存在内存缓存数据不一致问题，这时候，**通过制定缓存一致协议（比如 MESI 协议）可以解决此问题。**

#### 2、JMM模型 ####

![在这里插入图片描述][63820b71610740aeb18291d4b73a4e2e.png]  
图片来源我的另一篇博客：[多线程与高并发（2）——synchronized用法详解][2_synchronized]  
解释一下：  
从抽象的角度来看，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：线程之间的共享变量存储在主内存（main memory）中，每个线程都有一个私有的本地内存（local memory），本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。本地内存是JMM的一个抽象概念，并不真实存在。  
**主内存**：所有线程创建的实例对象都存放在主内存中，不管该实例对象是成员变量还是方法中的本地变量(也称局部变量)  
**本地内存**：每个线程都有一个私有的本地内存来存储共享变量的副本，并且，每个线程只能访问自己的本地内存，无法访问其他线程的本地内存。本地内存是 JMM 抽象出来的一个概念，存储了主内存中的共享变量副本。  
比如X=0，线程1改成了X=1，那么它要同步给主内存，主内存再给到线程2，这就是线程之间的**可见性**。  
而，关于JMM的三大特性：**原子性、可见性、有序性**，可以参考[多线程与高并发（2）——synchronized用法详解][2_synchronized]。

### 三、乱序执行&&禁止乱序 ###

以下内容均可参考:  
[多线程与高并发（2）——synchronized用法详解][2_synchronized]。  
[多线程与高并发（5）——volatile关键字详解][5_volatile]  
[多线程与高并发（3）——synchronized原理][3_synchronized]

#### 1、乱序执行 ####

cpu为了提高执行效率，当a指令去做其他事时，让b指令来执行。  
不得不提的是，**指令重排序。变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序是不一致的。**  
而为了防止乱序执行，JVM级别怎么规范呢？  
类似于CPU内存屏障那样，JVM也定义了内存屏障。  
![在这里插入图片描述][7315836a37a445e392bf08efd8b6e158.png]

#### 2、volatile禁止乱序实现细节 ####

（1）字节码层面  
ACC\_VOLATILE标识符。  
（2）JVM层面  
写的时候，前面加SS指令，后面加SL指令；  
读的时候，前面加LL指令，后面加LS指令。  
（3）OS和硬件层面  
lock指令。

#### 3、synchronized禁止乱序实现细节 ####

（1）字节码层面  
ACC\_SYNCHRONIZED标识符，monitorenter和monitorexit标识符。  
（2）JVM层面  
c/c++调用操作系统提供的同步机制。  
（3）OS和硬件层面  
lock指令。

[3b374e3accaa43d997f429dadf9b5129.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/14/15646d7d609f4e799fd0d7eaed481c4a.png
[18cbe00a25d742e0ba99fe03c6a55c07.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/14/c4566349c9864ff99d89f2458278886b.png
[63820b71610740aeb18291d4b73a4e2e.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/14/fb260522afbb4cc5bf844008ab7f3543.png
[2_synchronized]: https://blog.csdn.net/liwangcuihua/article/details/121926883
[5_volatile]: https://blog.csdn.net/liwangcuihua/article/details/124800109
[3_synchronized]: https://blog.csdn.net/liwangcuihua/article/details/122990631
[7315836a37a445e392bf08efd8b6e158.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/14/d0017e2a1797479fb402abf7663111dc.png