前言

Java并发编程系列开坑了，Java并发编程能够说是中高级研发工程师的必备素养，也是中高级岗位面试必问的问题，本系列就是为了带读者们零碎的一步一步击破Java并发编程各个难点，突破屏障，在面试中所向无敌，拿到心仪的offer，Java并发编程系列文章仍然采纳图文并茂的格调，让小白也能秒懂。

Java内存模型（Java Memory Model）简称J M M，作为Java并发编程系列的开篇，它是Java并发编程的基础知识，了解它能让你更好的明确线程平安到底是怎么一回事。

内容纲要

硬件内存模型

程序是指令与数据的汇合，计算机执行程序时，是C P U在执行每条指令，因为C P U要从内存读指令，又要依据指令批示去内存读写数据做运算，所以执行指令就免不了与内存打交道，晚期内存读写速度与C P U处理速度差距不大，倒没什么问题。

C P U缓存

随着C P U技术疾速倒退，C P U的速度越来越快，内存却没有太大的变动，导致内存的读写（IO）速度与C P U的处理速度差距越来越大，为了解决这个问题，引入了缓存（Cache）的设计，在C P U与内存之间加上缓存层，这里的缓存层就是指C P U内的寄存器与高速缓存（L1,L2,L3）

从上图中能够看出，寄存器最快，主内最慢，越快的存储空间越小，离C P U越近，相同存储空间越大速度越慢，离C P U越远。

C P U如何与内存交互

C P U运行时，会将指令与数据从主存复制到缓存层，后续的读写与运算都是基于缓存层的指令与数据，运算完结后，再将后果从缓存层写回主存。

上图能够看出，C P U根本都是在和缓存层打交道，采纳缓存设计补救主存与C P U处理速度的差距，这种设计不仅仅体现在硬件层面，在日常开发中，那些并发量高的业务场景都能看到，然而凡事都有利弊，缓存尽管放慢了速度，同样也带来了在多线程场景存在的缓存一致性问题，对于缓存一致性问题前面会说，这里大家留个印象。

Java内存模型

Java内存模型（Java Memory Model，J M M），后续都以J M M简称，J M M 是建设在硬件内存模型根底上的形象模型，并不是物理上的内存划分，简略说，为了使Java虚拟机(Java Virtual Machine，J V M)在各平台下达到统一的内存交互成果，须要屏蔽上游不同硬件模型的交互差别，对立标准，为上游提供对立的应用接口。

J M M是保障J V M在各平台下对计算机内存的交互都能保障成果统一的机制及标准。

形象构造

J M M形象构造划分为线程本地缓存与主存，每个线程均有本人的本地缓存，本地缓存是线程公有的，主存则是计算机内存，它是共享的。

不难发现J M M与硬件内存模型差异不大，能够简略的把线程类比成Core外围，线程本地缓存类比成缓存层，如下图所示

尽管内存交互标准好了，然而多线程场景必然存在线程平安问题（竞争共享资源），为了使多线程能正确的同步执行，就须要保障并发的三大个性可见性、原子性、有序性。

可见性

当一个线程批改了共享变量的值，其余线程可能立刻得悉这个批改，这就是可见性，如果无奈保障，就会呈现缓存一致性的问题，J M M规定，所有的变量都放在主存中，当线程应用变量时，先从缓存中获取，缓存未命中，再从主存复制到缓存，最终导致线程操作的都是本人缓存中的变量。

线程A执行流程

  • <span style="color: Blue;">线程A从缓存获取变量a
  • <span style="color: Blue;">缓存未命中，从主存复制到缓存，此时a是0
  • <span style="color: Blue;">线程A获取变量a，执行计算
  • <span style="color: Blue;">计算结果1，写入缓存
  • <span style="color: Blue;">计算结果1，写入主存

线程B执行流程

  • <span style="color: Blue;">线程B从缓存获取变量a
  • <span style="color: Blue;">缓存未命中，从主存复制到缓存，此时a是1
  • <span style="color: Blue;">线程B获取变量a，执行计算
  • <span style="color: Blue;">计算结果2，写入缓存
  • <span style="color: Blue;">计算结果2，写入主存

A、B两个线程执行完后，线程A与线程B缓存数据不统一，这就是缓存一致性问题，一个是1，另一个是2，如果线程A再进行一次+1操作，写入主存的还是2，也就是说两个线程对a共进行了3次+1，冀望的后果是3，最终失去的后果却是2。

解决缓存一致性问题，就要保障可见性，思路也很简略，变量写入主存后，把其余线程缓存的该变量清空，这样其余线程缓存未命中，就会去主存加载。

线程A执行流程

  • <span style="color: Blue;">线程A从缓存获取变量a
  • <span style="color: Blue;">缓存未命中，从主存复制到缓存，此时a是0
  • <span style="color: Blue;">线程A获取变量a，执行计算
  • <span style="color: Blue;">计算结果1，写入缓存
  • <span style="color: Blue;">计算结果1，写入主存，并清空线程B缓存a变量

线程B执行流程

  • <span style="color: Blue;">线程B从缓存获取变量a
  • <span style="color: Blue;">缓存未命中，从主存复制到缓存，此时a是1
  • <span style="color: Blue;">线程B获取变量a，执行计算
  • <span style="color: Blue;">计算结果2，写入缓存
  • <span style="color: Blue;">计算结果2，写入主存，并清空线程A缓存a变量

A、B两个线程执行完后，线程A缓存是空的，此时线程A再进行一次+1操作，会从主存加载（先从缓存中获取，缓存未命中，再从主存复制到缓存）失去2，最初写入主存的是3，Java中提供了volatile润饰变量保障可见性（本文重点是J M M，所以不会对volatile做过多的解读）。

看似问题都解决了，然而下面形容的场景是建设在现实状况（线程有序的执行），理论中线程可能是并发（交替执行），也可能是并行，只保障可见性依然会有问题，所以还须要保障原子性。

原子性

原子性是指一个或者多个操作在C P U执行的过程中不被中断的个性，要么执行，要不执行，不能执行到一半，为了直观的理解什么是原子性，看看上面这段代码

int a=0;a++;
  • 原子性操作：int a=0只有一步操作，就是赋值
  • 非原子操作：a++有三步操作，读取值、计算、赋值

如果多线程场景进行a++操作，仅保障可见性，没有保障原子性，同样会呈现问题。

并发场景（线程交替执行）

  • <span style="color: Blue;">线程A读取变量a到缓存，a是0
  • <span style="color: Blue;">进行+1运算失去后果1
  • <span style="color: Blue;">切换到B线程
  • <span style="color: Blue;">B线程执行残缺个流程，a=1写入主存
  • <span style="color: Blue;">线程A复原执行，把后果a=1写入缓存与主存
  • <span style="color: Blue;">最终后果谬误

并行场（线程同时执行）

  • <span style="color: Blue;">线程A与线程B同时执行，可能线程A执行运算+1的时候，线程B就曾经全副执行实现，也可能两个线程同时计算完，同时写入，不论是那种，后果都是谬误的。

为了解决此问题，只有把多个操作变成一步操作，即保障原子性。

Java中提供了synchronized（同时满足有序性、原子性、可见性）能够保障后果的原子性（留神这里的形容），synchronized保障原子性的原理很简略，因为synchronized能够对代码片段上锁，避免多个线程并发执行同一段代码（本文重点是J M M，所以不会对synchronized做过多的解读）。

并发场景（线程A与线程B交替执行）

  • <span style="color: Blue;">线程A获取锁胜利
  • <span style="color: Blue;">线程A读取变量a到缓存，进行+1运算失去后果1
  • <span style="color: Blue;">此时切换到了B线程
  • <span style="color: Blue;">线程B获取锁失败，阻塞期待
  • <span style="color: Blue;">切换回线程A
  • <span style="color: Blue;">线程A执行完所有流程，主存a=1
  • <span style="color: Blue;">线程A开释锁胜利，告诉线程B获取锁
  • <span style="color: Blue;">线程B获取锁胜利，读取变量a到缓存，此时a=1
  • <span style="color: Blue;">线程B执行完所有流程，主存a=2
  • <span style="color: Blue;">线程B开释锁胜利

并行场景

  • <span style="color: Blue;">线程A获取锁胜利
  • <span style="color: Blue;">线程B获取锁失败，阻塞期待
  • <span style="color: Blue;">线程A读取变量a到缓存，进行+1运算失去后果1
  • <span style="color: Blue;">线程A执行完所有流程，主存a=1
  • <span style="color: Blue;">线程A开释锁胜利，告诉线程B获取锁
  • <span style="color: Blue;">线程B获取锁胜利，读取变量a到缓存，此时a=1
  • <span style="color: Blue;">线程B执行完所有流程，主存a=2
  • <span style="color: Blue;">线程B开释锁胜利

synchronized对共享资源代码段上锁，达到互斥成果，人造的解决了无奈保障原子性、可见性、有序性带来的问题。

尽管在并行场A线程还是被中断了，切换到了B线程，但它仍然须要期待A线程执行结束，能力持续，所以后果的原子性失去了保障。

有序性

在日常搬砖写代码时，可能大家都认为，程序运行时就是依照编写程序执行的，但实际上不是这样，编译器和处理器为了优化性能，会对代码做重排，所以语句理论执行的先后顺序与输出的代码程序可能统一，这就是指令重排序。

可能读者们会有疑难“指令重排为什么能优化性能？”，其实C P U会对重排后的指令做并行执行，达到优化性能的成果。

重排序前的指令

重排序后的指令

重排序后，对a操作的指令产生了扭转，节俭了一次Load a和Store a，达到性能优化成果，这就是重排序带来的益处。

重排遵循as-if-serial准则，编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序，因为这种重排序会扭转执行后果（即不管怎么重排序，单线程程序的执行后果不能被扭转），上面这种状况，就属于数据依赖。

int i = 10int j = 10//这就是数据依赖，int i 与 int j 不能排到 int c上面去int c = i + j

但也仅仅只是针对单线程，多线程场景可没这种保障，假如A、B两个线程，线程A代码段无数据依赖，线程B依赖线程A的后果，如下图（假如保障了可见性）

禁止重排场景（i默认0）

  • <span style="color: Blue;">线程A执行i = 10
  • <span style="color: Blue;">线程A执行b = true
  • <span style="color: Blue;">线程B执行if( b )通过验证
  • <span style="color: Blue;">线程B执行i = i + 10
  • <span style="color: Blue;">最终后果i是20

重排场景（i默认0）

  • <span style="color: Blue;">线程A执行b = true
  • <span style="color: Blue;">线程B执行if( b )通过验证
  • <span style="color: Blue;">线程B执行i = i + 10
  • <span style="color: Blue;">线程A执行i = 10
  • <span style="color: Blue;">最终后果i是10

为解决重排序，应用Java提供的volatile润饰变量同时保障可见性、有序性，被volatile润饰的变量会加上内存屏障禁止排序（本文重点是J M M，所以不会对volatile做过多的解读）。

三大个性的保障

个性volatilesynchronizedLockAtomic
可见性能够保障能够保障能够保障能够保障
原子性无奈保障能够保障能够保障能够保障
有序性肯定水平保障能够保障能够保障无奈保障

对于我

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