Java内存模型之what,why,how

why

  我们先来聊聊一些背景知识，首先现代的计算机中，多任务和高并发是衡量一台计算机处理的能力重要指标之一，一个关键性的指标 TPS（transaction per second），一般能说明问题，它代表的是一秒内服务器平均能响应的请求数。
  其次，硬件的效率和一致性的方面，计算机的处理器运算速度与存储设备（内存，硬盘）的读写速度有几个数量级的差距，为了缓解这种差距，现在计算机加入高速缓存（cache）来作为内存与处理器之间的缓冲，其读写速度接近于 CPU，将运算需要的数据复制到缓存中，运算结束后在动缓存同步到内存中。但是事务的发展总是解决老问题带来新问题，高速缓存解决了处理器与内存之间的速度矛盾，带来了一个新的问题，缓存一致性（Cache Coherence）。

  尤其是在多处理器的系统中，每个处理器都有自己的高速缓存，而他们有共享同一个主存。多处理器系统缓存示意图和多级缓存结构如下：

  所以需要一种协议可以保障数据的一致性，目前主流的缓存一致性协议有 MSI, MESI, MOSI, Dragon Protocol, 要注意的是缓存都是有一个基础单位 cache line，这也是java中造成伪共享的根本原因。

  值得注意的是，为了处理器内部的运算单元被充分利用，处理器可能会对代码进行乱序执行（out of order execution） 优化，在 java 中，JIT 也是有执行重排序的优化，经典案例就是双重检查单例，要不要加 volatile 关键字。

what

所谓的 java 的内存模型的概念主要有以下几点：

• 主要目标是定义各个变量的访问规则，即 jvm 中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样底层细节
• 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 （类比于处理器的高速缓存）
• 线程的工作内存中保存了该线程使用到的变量到主内存副本拷贝
• 线程对变量的所有操作（读取、赋值）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量
• 不同线程之间无法直接访问对方的工作内存中的变量，线程间变量的传递需要在主存中来完成

how

最后，我们知道了 java 内存模型的一些定义和条件，那么怎样实现它的呢？主要有以下的几点：

• 8种操作
  • lock
  • unlock
  • read
  • load
  • use
  • assign
  • store
  • write
• happens-before 原则
• 重排序
  从 java 源代码到最终实际执行的指令序列，经过三种排序
  
• synchronized
• volatile
• final

  综上所述，我们对 java 内存模型的背景、概念、实现的过程有个总体上的理解。每一部分涉及到的细节还是很多的，以后再花时间深究。