- 前言
- 一、为什么要有内存模型
- 1.1 CPU和缓存一致性
- 1.2线程切换和指令重排
- 1.3并发编程的核心问题
- 二、JAVA内存模型(JMM)
- 三、JAVA内存模型的实现
- 总结
前言
网上有很多关于JAVA内存模型的文章，但大多只讲解了JAVA内存模型本身的概念，很少提到JAVA内存模型出现的原因是什么，导致看完之后自己的思维更加混乱。本文简单介绍为什么要有内存模型以及JAVA内存模型的基本概念供参考学习。
一、为什么要有内存模型 1.1 CPU和缓存一致性
我们应该都知道，计算机在执行程序的时候，每条指令都是在CPU中执行的，而执行的时候，又免不了要和数据打交道。而计算机上面的数据，是存放在主存当中的，也就是计算机的物理内存。
刚开始，还相安无事的，但是随着CPU技术的发展，CPU的执行速度越来越快。而由于内存的技术并没有太大的变化，所以从内存中读取和写入数据的过程和CPU的执行速度比起来差距就会越来越大,这就导致CPU每次操作内存都要耗费很多等待时间。
例如：你是cpu，小伙伴是内存，刚开始你和你的小伙伴其乐融融，后来你读到了博士，你的每一个命令，由于小伙伴的理解能力和执行能力欠缺，就会耗费很多时间，这就无形拖慢了效率。
可是，不能因为内存的读写速度慢，就不发展CPU技术了吧，总不能让内存成为计算机处理的瓶颈吧。
解决办法：
在CPU和内存之间增加高速缓存。缓存的概念大家都知道，就是保存一份数据拷贝。他的特点是速度快，内存小，并且昂贵。
那么，程序的执行过程就变成了：
当程序在运行过程中，会将运算需要的数据从主存复制一份到CPU的高速缓存当中，那么CPU进行计算时就可以直接从它的高速缓存读取数据和向其中写入数据，当运算结束之后，再将高速缓存中的数据刷新到主存当中。
但是这会出现什么问题？
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 并发程序都是基于多线程的，自然也会涉及到任务切换，任务切换的时机大多数是在时间片结束的时候。这种切换可能会导致问题。
两个线程 A 和 B 同时执行 count++， 即便 count 使用 volatile 修辞，我们预期的结果值是 2，但实际可能是 1。
编译器为了优化性能，有时候会改变程序中语句的先后顺序，比如Java虚拟机的即时编译器（JIT）也会做指令重排。
如果任由处理器优化和编译器对指令重排的话，就可能导致各种各样的问题。
原子性是指在一个操作中就是cpu不可以在中途暂停然后再调度，既不被中断操作，要不执行完成，要不就不执行。
可见性是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。
有序性即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。
缓存一致性问题其实就是可见性问题。而线程切换是可以导致原子性问题的。指令重排即会导致有序性问题。
二、JAVA内存模型(JMM)
前面提到的，缓存一致性问题、指令重排问题是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？
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。
Java内存模型（Java Memory Model ,JMM）就是一种符合内存模型规范的，屏蔽了各种硬件和操作系统的访问差异的，保证了Java程序在各种平台下对内存的访问都能保证效果一致的机制及规范。
JMM就作用于工作内存和主存之间数据同步过程。他规定了如何做数据同步以及什么时候做数据同步。
三、JAVA内存模型的实现
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：比如volatile、synchronized、final、concurrent包等。
原子性：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。在synchronized的实现原理文章中，介绍过，这两个字节码，在Java中对应的关键字就是synchronized。
可见性：Java中的volatile关键字提供了一个功能，那就是被其修饰的变量修改后将新值同步回主内存，变量读取前从主内存刷新变量值。因此，可以使用volatile来保证多线程操作时变量的可见性。
有序性：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。
总结
JMM是一种规范，目的是解决由于多线程通过共享内存进行通信时，存在的本地内存数据不一致、编译器会对代码指令重排序等带来的问题。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。
