Java内存模型

        先从计算机的硬件效率说起，CPU的计算速度比内存快几个数量级，为了平衡CPU和内存之间的矛盾，引入的高速缓存，每个CPU都有高速缓存，甚至是多级缓存L1、L2和L3，那么缓存与内存的交互需要缓存一致性协议（MESI，与volitle保持可见性有关）。那么最终处理器、高速缓存、主内存的交互关系如下：

 

    Java的内存模型（Java Memory Model，简称JMM）也定义了线程、工作内存、主内存之间的关系，非常类似于硬件方面的定义：

  

　　Java虚拟机运行时内存的区域划分：

堆：new出的实例对象都存储在这个区域，是GC的主战场，线程共享。
方法区：存储类信息、常量、静态变量等，线程共享
虚拟机栈：每个方法的执行都会创建栈帧，用于存储局部变量、操作数栈、动态链接等，虚拟机栈主要存储这些信息，线程私有
本地方法栈：虚拟机使用到的Native方法服务，例如c程序等，线程私有
程序计数器：记录程序运行到哪一行了，相当于当前线程字节码的行号计数器，线程私有

    所以对于JMM定义的主内存，大部分时候可以对应堆内存、方法区等线程共享的区域，这里只是概念上对应，其实程序计数器、虚拟机栈等也有部分是放在主内存的，具体看虚拟机的设计。

    线程A、B同时去读取主内存的count初始值存放在各自的工作内存里，同时执行了自增操作，写回主内存，最终得到了错误的结果。

　　造成这个错误的本质原因：

可见性：工作内存的最新值不知道什么时候会写回主内存
有序性：线程之间必须是有序的访问共享变量

　　接下来，我们来具体分析一下，为什么要从可见性和有序性两个方面来限定。

　　给count加上volatile关键字，就保证了可见性。

private volatile int count = 0;

　　1.有序性：防止指令重排序

　　指令重排序是JVM为了优化指令、提高程序运行效率，在不影响单线程程序执行结果的前提下，尽可能地提高并行度。指令重排序包括编译器重排序和运行时重排序。

double r = 2.1; //(1) 
double pi = 3.14;//(2) 
double area = pi*r*r;//(3)

　　虽然代码语句的定义顺序为1->2->3，但是计算顺序1->2->3与2->1->3对结果并无影响，所以编译时和运行时可以根据需要对1、2语句进行重排序。

　　内存屏障是CPU指令。如果字段是volatile，Java内存模型将在写操作后插入一个写屏障指令，在读操作前插入一个读屏障指令。

　　2.可见性：保证内存可见性　　

　　可见性是指线程之间的可见性，一个线程修改的状态对另一个线程是可见的。也就是一个线程修改的结果，另一个线程马上就能看到。对变量count加上volatile关键字修饰的话，它以保证当A线程对变量count值做了变动之后，会立即刷回到主内存中，而其它线程读取到该变量的值也作废，强迫重新从主内存中读取该变量的值.
　　volatile可见性是通过汇编加上Lock前缀指令，触发底层的MESI缓存一致性协议来实现的。
　　假如说当前有一个cpu去主内存拿到一个变量x的值初始为1，放到自己的工作内存中。此时它的状态就是独享状态E，然后此时另外一个cpu也拿到了这个x的值，放到自己的工作内存中。此时之前那个cpu会不断地监听内存总线，发现这个x有多个cpu在获取，那么这个时候这两个cpu所获得的x的值的状态就都是共享状态S。然后第一个cpu将自己工作内存中x的值带入到自己的ALU计算单元去进行计算，返回来x的值变为2，接着会告诉给内存总线，将此时自己的x的状态置为修改状态M。而另一个cpu此时也会去不断的监听内存总线，发现这个x已经有别的cpu将其置为了修改状态，所以自己内部的x的状态会被置为无效状态I，等待第一个cpu将修改后的值刷回到主内存后，重新去获取新的值。这个谁先改变x的值可能是同一时刻进行修改的，此时cpu就会通过底层硬件在同一个指令周期内进行裁决，裁决是谁进行修改的，就置为修改状态，而另一个就置为无效状态，被丢弃或者是被覆盖.
　　当然，MESI也会有失效的时候，缓存的最小单元是缓存行，如果当前的共享数据的长度超过一个缓存行的长度(64KB)的时候，就会使MESI协议失败，此时的话就会触发总线加锁的机制，第一个线程cpu拿到这个x的时候，其他的线程都不允许去获取这个x的值。

 

    既然保证了可见性，加上了volatile关键词，为什么还是无法得到正确的结果，原因是count++，并非原子操作，count++等效于如下步骤：

1.从主内存中读取count赋值给线程副本变量： temp=count
2.线程副本变量加1： temp=temp+1
3.线程副本变量写回主内存：count=temp

　　就算是真的严苛的给总线加锁，导致同一时刻，只能有一个处理器访问到count变量，但是在执行第2步操作时，其他cpu已经可以访问count变量，此时最新运算结果还没刷回主内存，造成了错误的结果，所以必须保证顺序性。那么保证顺序性的本质，就是保证同一时刻只有一个CPU可以执行临界区代码。这时候做法通常是加锁，锁本质是分两种：悲观锁和乐观锁。如典型的悲观锁synchronized、JUC包下面典型的乐观锁ReentrantLock。

　　总结一下：要保证线程安全，必须保证三点：原子性、可见性、有序性