Java内存模型 （JMM）

Java内存模型 （JMM）

 

 

 

1、简介

        Java内存模型 （JMM）Java Memory Model，其实 JMM 并不像JVM内存结构一样是真实存在的。他只是一个抽象的概念。JMM是和多线程相关的，他描述了一组规则或规范，这个规范定义了一个线程对共享变量的写入时对另一个线程是可见的。目的是解决由于多线程通过共享内存进行通信时，存在的原子性、可见性（缓存一致性）以及有序性的问题。

为了保证共享内存的正确性（可见性、有序性、原子性），内存模型定义了共享内存系统中多线程程序读写操作行为的规范。通过这些规则来规范对内存的读写操作，从而保证指令执行的正确性。它与处理器有关、与缓存有关、与并发有关、与编译器也有关。他解决了CPU多级缓存、处理器优化、指令重排等导致的内存访问问题，保证了并发场景下的一致性、原子性和有序性。

 

       Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中，每条线程还有自己的工作内存，线程的工作内存中保存了该线程中是用到的变量的主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量的传递均需要自己的工作内存和主存之间进行数据同步进行。多CPU多级缓存导致的一致性问题、CPU时间片机制导致的原子性问题、以及处理器优化和指令重排导致的有序性问题等，都硬件的不断升级导致的。那么，有没有什么机制可以很好的解决上面的这些问题呢？所以，为了保证并发编程中可以满足原子性、可见性及有序性。有一个重要的概念，那就是——内存模型。

 

2、原子性

       线程是CPU调度的基本单位。CPU有时间片的概念，会根据不同的调度算法进行线程调度。所以在多线程场景下，就会发生原子性问题。因为线程在执行一个读改写操作时，在执行完读改之后，时间片耗完，就会被要求放弃CPU，并等待重新调度。这种情况下，读改写就不是一个原子操作。即存在原子性问题。在Java中，为了保证原子性，提供了两个高级的字节码指令monitorenter和monitorexit。这两个字节码，在Java中对应的关键字就是synchronized。因此，在Java中可以使用synchronized来保证方法和代码块内的操作是原子性的。

 

3、缓存一致性（可见性）

        在多核CPU，多线程的场景中，每个核都至少有一个L1 缓存。多个线程访问进程中的某个共享内存，且这多个线程分别在不同的核心上执行，则每个核心都会在各自的caehe中保留一份共享内存的缓冲。由于多核是可以并行的，可能会出现多个线程同时写各自的缓存的情况，而各自的cache之间的数据就有可能不同。

在CPU和主存之间增加缓存，在多线程场景下就可能存在缓存一致性问题，也就是说，在多核CPU中，每个核的自己的缓存中，关于同一个数据的缓存内容可能不一致。

Java中的volatile关键字提供了一个功能，那就是被其修饰的变量在被修改后可以立即同步到主内存，被其修饰的变量在每次是用之前都从主内存刷新。因此，可以使用volatile来保证多线程操作时变量的可见性。除了volatile，Java中的synchronized和final两个关键字也可以实现可见性。

4、有序性

       除了引入了时间片以外，由于处理器优化和指令重排等，CPU还可能对输入代码进行乱序执行，比如load->add->save 有可能被优化成load->save->add 。这就是有序性问题。

在Java中，可以使用synchronized和volatile来保证多线程之间操作的有序性。volatile关键字会禁止指令重排。synchronized关键字保证同一时刻只允许一条线程操作。

 

5、Java内存模型的实现

        了解Java多线程的朋友都知道，在Java中提供了一系列和并发处理相关的关键字，比如volatile、synchronized、final、concurren包等。其实这些就是Java内存模型封装了底层的实现后提供给程序员使用的一些关键字。

在开发多线程的代码的时候，我们可以直接使用synchronized等关键字来控制并发，从来就不需要关心底层的编译器优化、缓存一致性等问题。所以，Java内存模型，除了定义了一套规范，还提供了一系列原语，封装了底层实现后，供开发者直接使用。

6、面试官问：简单介绍下你理解的内存模型？

       Java内存模型，其实是保证了Java程序在各种平台下对内存的访问都能够得到一致效果的机制及规范。目的是解决由于多线程通过共享内存进行通信时，存在的原子性、可见性（缓存一致性）以及有序性问题。除此之外，Java内存模型还提供了一系列原语，封装了底层实现后，供开发者直接使用。如我们常用的一些关键字：synchronized、volatile以及并发包等。

7、volatile 与 synchronized的区别

volatile只能修饰实例变量和类变量，而synchronized可以修饰方法，以及代码块。

volatile保证数据的可见性，但是不保证原子性(多线程进行写操作，不保证线程安全);而synchronized是一种排他(互斥)的机制。 volatile用于禁止指令重排序：可以解决单例双重检查对象初始化代码执行乱序问题。

volatile可以看做是轻量版的synchronized，volatile不保证原子性，但是如果是对一个共享变量进行多个线程的赋值，而没有其他的操作，那么就可以用volatile来代替synchronized，因为赋值本身是有原子性的，而volatile又保证了可见性，所以就可以保证线程安全了。

• volatile修饰符适用于以下场景：某个属性被多个线程共享，其中有一个线程修改了此属性，其他线程可以立即得到修改后的值，实现轻量级同步。
• volatile属性的读写操作都是无锁的，它不能替代synchronized，因为它没有提供原子性和互斥性。因为无锁，不需要花费时间在获取锁和释放锁上，所以说它是低成本的。
• volatile只能作用于属性，我们用volatile修饰属性，这样compilers就不会对这个属性做指令重排序。
• volatile提供了可见性，任何一个线程对其的修改将立马对其他线程可见，volatile属性不会被线程缓存，始终从主 存中读取。
• volatile可以在单例双重检查中实现可见性和禁止指令重排序，从而保证安全性。