面试官：明天想跟你聊聊Java内存模型，这块你理解过吗？
候选者：嗯，我简略说下我的了解吧。那我就从为什么要有Java内存模型开始讲起吧
面试官：开始你的表演吧。
候选者：那我先说下背景吧
候选者：1. 现有计算机往往是多核的，每个外围下会有高速缓存。高速缓存的诞生是因为「CPU与内存(主存)的速度存在差别」，L1和L2缓存个别是「每个外围独占」一份的。
候选者：2. 为了让CPU进步运算效率，处理器可能会对输出的代码进行「乱序执行」，也就是所谓的「指令重排序」
候选者：3. 一次对数值的批改操作往往是非原子性的（比方i++实际上在计算机执行时就会分成多个指令）
候选者：在永远单线程下，下面所讲的均不会存在什么问题，因为单线程意味着无并发。并且在单线程下，编译器/runtime/处理器都必须恪守as-if-serial语义，恪守as-if-serial意味着它们不会对「数据依赖关系的操作」做重排序。
候选者：CPU为了效率，有了高速缓存、有了指令重排序等等，整块架构都变得复杂了。咱们写的程序必定也想要「充沛」利用CPU的资源啊！于是乎，咱们应用起了多线程
候选者：多线程在意味着并发，并发就意味着咱们须要思考线程平安问题
候选者：1. 缓存数据不统一：多个线程同时批改「共享变量」，CPU外围下的高速缓存是「不共享」的，那多个cache与内存之间的数据同步该怎么做？
候选者：2. CPU指令重排序在多线程下会导致代码在非预期下执行，最终会导致后果存在谬误的状况。
候选者：针对于「缓存不统一」问题，CPU也有其解决办法，常被大家所意识的有两种：
候选者：1.应用「总线锁」：某个外围在批改数据的过程中，其余外围均无奈批改内存中的数据。（相似于独占内存的概念，只有有CPU在批改，那别的CPU就得期待以后CPU开释）
候选者：2.缓存一致性协定（MESI协定，其实协定有很多，只是举个大家都可能见过的）。MESI拆开英文是（Modified （批改状态）、Exclusive （独占状态）、Share（共享状态）、Invalid（有效状态））
候选者：缓存一致性协定我认为能够了解为「缓存锁」，它针对的是「缓存行」(Cache line) 进行”加锁”，所谓「缓存行」其实就是 高速缓存 存储的最小单位。
面试官：嗯…
候选者：MESI协定的原理大略就是：当每个CPU读取共享变量之前，会先辨认数据的「对象状态」(是批改、还是共享、还是独占、还是有效)。
候选者：如果是独占，阐明以后CPU将要失去的变量数据是最新的，没有被其余CPU所同时读取
候选者：如果是共享，阐明以后CPU将要失去的变量数据还是最新的，有其余的CPU在同时读取，但还没被批改
候选者：如果是批改，阐明以后CPU正在批改该变量的值，同时会向其余CPU发送该数据状态为invalid(有效)的告诉，失去其余CPU响应后（其余CPU将数据状态从共享(share)变成invalid(有效)），会以后CPU将高速缓存的数据写到主存，并把本人的状态从modify(批改)变成exclusive(独占)
候选者：如果是有效，阐明以后数据是被改过了，须要从主存从新读取最新的数据。
候选者：其实MESI协定做的就是判断「对象状态」，依据「对象状态」做不同的策略。要害就在于某个CPU在对数据进行批改时，须要「同步」告诉其余CPU，示意这个数据被我批改了，你们不能用了。
候选者：比拟于「总线锁」，MESI协定的”锁粒度”更小了，性能那必定会更高咯
面试官：但据我理解，CPU还有优化，你还晓得吗？
候选者：嗯，还是理解那么一点点的。
候选者：从后面讲到的，能够发现的是：当CPU批改数据时，须要「同步」通知其余的CPU，期待其余CPU响应接管到invalid(有效)后，它能力将高速缓存数据写到主存。
候选者：同步，意味着期待，期待意味着什么都干不了。CPU必定不乐意啊，所以又优化了一把。
候选者：优化思路就是从「同步」变成「异步」。
候选者：在批改时会「同步」通知其余CPU，而当初则把最新批改的值写到「store buffer」中，并告诉其余CPU记得要改状态，随后CPU就间接返回干其余事了。等到收到其它CPU发过来的响应音讯，再将数据更新到高速缓存中。
候选者：其余CPU接管到invalid(有效)告诉时，也会把接管到的音讯放入「invalid queue」中，只有写到「invalid queue」就会间接返回通知批改数据的CPU曾经将状态置为「invalid」
候选者：而异步又会带来新问题：那我当初CPU批改完A值，写到「store buffer」了，CPU就能够干其余事了。那如果该CPU又接管指令须要批改A值，但上一次批改的值还在「store buffer」中呢，没批改至高速缓存呢。
候选者：所以CPU在读取的时候，须要去「store buffer」看看存不存在，存在则间接取，不存在才读主存的数据。【Store Forwarding】
候选者：好了，解决掉第一个异步带来的问题了。（雷同的外围对数据进行读写，因为异步，很可能会导致第二次读取的还是旧值，所以首先读「store buffer」。
面试官：还有其余？
候选者：那当然啊，那「异步化」会导致雷同外围读写共享变量有问题，那当然也会导致「不同」外围读写共享变量有问题啊
候选者：CPU1批改了A值，已把批改后值写到「store buffer」并告诉CPU2对该值进行invalid(有效)操作，而CPU2可能还没收到invalid(有效)告诉，就去做了其余的操作，导致CPU2读到的还是旧值。
候选者：即使CPU2收到了invalid(有效)告诉，但CPU1的值还没写到主存，那CPU2再次向主存读取的时候，还是旧值…
候选者：变量之间很多时候是具备「相关性」(a=1;b=0;b=a)，这对于CPU又是无感知的…
候选者：总体而言，因为CPU对「缓存一致性协定」进行的异步优化「store buffer」「invalid queue」，很可能导致前面的指令很可能查不到后面指令的执行后果（各个指令的执行程序非代码执行程序），这种景象很多时候被称作「CPU乱序执行」
候选者：为了解决乱序问题（也能够了解为可见性问题，批改完没有及时同步到其余的CPU），又引出了「内存屏障」的概念。
面试官：嗯…
候选者：「内存屏障」其实就是为了解决「异步优化」导致「CPU乱序执行」/「缓存不及时可见」的问题，那怎么解决的呢？嗯，就是把「异步优化」给”禁用“掉（：
候选者：内存屏障能够分为三种类型：写屏障，读屏障以及全能屏障（蕴含了读写屏障），屏障能够简略了解为：在操作数据的时候，往数据插入一条”非凡的指令”。只有遇到这条指令，那后面的操作都得「实现」。
候选者：那写屏障就能够这样了解：CPU当发现写屏障的指令时，会把该指令「之前」存在于「store Buffer」所有写指令刷入高速缓存。
候选者：通过这种形式就能够让CPU批改的数据能够马上裸露给其余CPU，达到「写操作」可见性的成果。
候选者：那读屏障也是相似的：CPU当发现读屏障的指令时，会把该指令「之前」存在于「invalid queue」所有的指令都解决掉
候选者：通过这种形式就能够确保以后CPU的缓存状态是精确的，达到「读操作」肯定是读取最新的成果。
候选者：因为不同CPU架构的缓存体系不一样、缓存一致性协定不一样、重排序的策略不一样、所提供的内存屏障指令也有差别，为了简化Java开发人员的工作。Java封装了一套标准，这套标准就是「Java内存模型」
候选者：再具体地说，「Java内存模型」心愿 屏蔽各种硬件和操作系统的拜访差别，保障了Java程序在各种平台下对内存的拜访都能失去统一成果。目标是解决多线程存在的原子性、可见性（缓存一致性）以及有序性问题。
面试官：那要不简略聊聊Java内存模型的标准和内容吧？
候选者：不了，怕一聊就是一个下午，下次吧？
本文总结：
- 并发问题产生的三大本源是「可见性」「有序性」「原子性」
- 可见性：CPU架构下存在高速缓存，每个外围下的L1/L2高速缓存不共享（不可见）
有序性：次要有三方面可能导致突破
- 编译器优化导致重排序（编译器能够在不扭转单线程程序语义的状况下，能够对代码语句程序进行调整从新排序）
- 指令集并行重排序（CPU原生就有可能将指令进行重排）
- 内存零碎重排序（CPU架构下很可能有store buffer /invalid queue 缓冲区，这种「异步」很可能会导致指令重排）
- 原子性：Java的一条语句往往须要多条 CPU 指令实现(i++)，因为操作系统的线程切换很可能导致 i++ 操作未实现，其余线程“中途”操作了共享变量 i ，导致最终后果并非咱们所期待的。
在CPU层级下，为了解决「缓存一致性」问题，有相干的“锁”来保障，比方“总线锁”和“缓存锁”。
- 总线锁是锁总线，对共享变量的批改在雷同的时刻只容许一个CPU操作。
- 缓存锁是锁缓存行(cache line)，其中比拟闻名的是MESI协定，对缓存行标记状态，通过“同步告诉”的形式，来实现(缓存行)数据的可见性和有序性
- 但“同步告诉”会影响性能，所以会有内存缓冲区(store buffer/invalid queue)来实现「异步」进而进步CPU的工作效率
- 引入了内存缓冲区后，又会存在「可见性」和「有序性」的问题，素日大多数状况下是能够享受「异步」带来的益处的，但多数状况下，须要强「可见性」和「有序性」，只能”禁用”缓存的优化。
- “禁用”缓存优化在CPU层面下有「内存屏障」，读屏障/写屏障/全能屏障，实质上是插入一条”屏障指令”，使得缓冲区(store buffer/invalid queue)在屏障指令之前的操作均已被解决，进而达到 读写 在CPU层面上是可见和有序的。
- 不同的CPU实现的架构和优化均不一样，Java为了屏蔽硬件和操作系统拜访内存的各种差别，提出了「Java内存模型」的标准，保障了Java程序在各种平台下对内存的拜访都能失去统一成果
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