Java 内存模型即 Java Memory Model，简称 JMM。JMM 是一个抽象的概念，作用于 JVM 和底层硬件之间，屏蔽了不同硬件模型带来的差异，为开发者提供了统一的使用接口。一句话：JMM 就是JVM内存的实现规范。

Java 内存模型

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JMM 的八大原子操作

  • read（读取）：从主内存读取数据
  • load（载入）：将主内存的数据写入工作内存
  • use（使用）：从工作内存读取数据
  • assign（赋值）：将值赋值到工作内存
  • store（存储）：将工作内存的数据写入主内存
  • write（写入）：将 store 的变量赋值到主内存的变量
  • lock（锁定）：将主内存变量加锁，标识为线程独占状态
  • unlock（解锁）：将主内存变量解锁，解锁后其他线程可以锁定该变量

java 将信息写入内存的类 java写内存读写_缓存_02

MESI 缓存一致性协议（CPU级别）

MESI 协议提供了一种方式，成功的解决了缓存一致性问题。对于缓存中的每一行，都设置一个状态位，一共有四种状态：

  • Modified：表示缓存行仅存在于当前的缓存中，并且已经被更改。在该缓存行写回到主存之前，任何其他CPU都不能读取该缓存行的内容。
  • Exclusive：表示缓存行仅存在于当前的缓存中，并且未被修改。如果有其他CPU读取该行，则转移到Shared状态；如果修改该行，则转移到Modified状态。
  • Shared：表示有多个CPU共享该缓存行，且内容未被修改。
  • Invalid：表示该缓存无效。

实现缓存一致性的流程

  • 由于硬件层面基本都实现了MESI协议，变量在线程内被修改后，在写回工作主内存之前必定经过总线
  • 基于CPU总线嗅探机制，CPU在检测到感兴趣（监听）的变量时，将其他工作线程具有相同地址的变量置为失效
  • 并且在write 完成之前对变量进行 lock 操作，其他线程在此期间不能读取该变量，直至write完成

JMM 模式下的线程通信

  • 线程之间没有直接的通信道路，只能通过主内存间接进行通信
  • A 线程对 x 进行修改之后，先同步回主内存，然后 B 线程在通过主线程获取 A 线程修改过的新值。

as-if-serial语义

as-if-serial 是为了优化，可以将代码的执行顺序进行重排序，但必须保证重排序后的执行结果与原先的结果保持一致。Java编译器、运行时和处理器都会保证单线程下的as-if-serial语义。

内存屏障

内存屏障（Memory Barrier，或有时叫做内存栅栏，Memory Fence）是一种CPU指令，用于控制特定条件下的重排序和内存可见性问题。Java编译器也会根据内存屏障的规则禁止重排序。

  • 硬件层的内存屏障分为两种：Load Barrier 和 Store Barrier即读屏障和写屏障。
  • 内存屏障有两个作用：
  • 阻止屏障两侧的指令重排序；
  • 强制把写缓冲区/高速缓存中的脏数据等写回主内存，让缓存中相应的数据失效。
  • java的内存屏障通常所谓的四种
  • LoadLoad屏障：Load1; LoadLoad; Load2; 在Load2及后续读取操作要读取的数据被访问前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
  • StoreStore屏障：Store1; StoreStore; Store2; 在Store2及后续写入操作执行前，保证Store1的写入操作对其它处理器可见。
  • LoadStore屏障：Load1; LoadStore; Store2; 在Store2及后续写入操作被刷出前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
  • StoreStore屏障：Store1; StoreLoad; Load2; 在Load2及后续所有读取操作执行前，保证Store1的写入对所有处理器可见。

volatile语义中的内存屏障

  • 在每个volatile写操作前插入StoreStore屏障，在写操作后插入StoreLoad屏障；
  • 在每个volatile读操作前插入LoadLoad屏障，在读操作后插入LoadStore屏障。

final语义中的内存屏障

  • 新建对象过程中，构造体中对final域的初始化写入和这个对象赋值给其他引用变量，这两个操作不能重排序；（写入完毕后才能引用和读取）
  • 初次读包含final域的对象引用和读取这个final域，这两个操作不能重排序。（先赋值引用）

happens-before原则

happens-before原则定义如下：

  • 如果一个操作happens-before另一个操作，那么第一个操作的执行结果将对第二个操作可见，而且第一个操作的执行顺序排在第二个操作之前。
  • 两个操作之间存在happens-before关系，并不意味着一定要按照happens-before原则制定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果与按照happens-before关系来执行的结果一致，那么这种重排序并不非法。

happens-before原则规则：

  • 程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作；
  • 锁定规则：一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁额lock操作；
  • volatile变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作；
  • 传递规则：如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生于操作C；
  • 线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个一个动作；
  • 线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生；
  • 线程终结规则：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行；
  • 对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始；