JMM内存模型

Java 内存模型（Java Memory Model，JMM）定义了 Java 程序中的变量、线程如何和主存以及工作内存进行交互的规则
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Java 内存模型（Java Memory Model，JMM）定义了 Java 程序中的变量、线程如何和主存以及工作内存进行交互的规则, 可以理解为并发编程相关的一组规范

JMM在Java中主要解决线程同步与通信问题, 涉及到内存可见性, 指令重排等问题

Java 是最早尝试提供内存模型的编程语言。由于早期内存模型存在一些缺陷（比如非常容易削弱编译器的优化能力），从 Java5 开始，Java 开始使用新的内存模型

一般来说，编程语言也可以直接复用操作系统层面的内存模型。不过，不同的操作系统内存模型不同。如果直接复用操作系统层面的内存模型，就可能会导致同样一套代码换了一个操作系统就无法执行了。 Java 语言是跨平台的，它需要自己提供一套内存模型以屏蔽系统差异。

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红色区域称主内存, 是线程存放共享变量的区域

白色为本地内存

  • 主内存：所有线程创建的实例对象都存放在主内存中，不管该实例对象是成员变量，还是局部变量，类信息、常量、静态变量都是放在主内存中。为了获取更好的运行速度，虚拟机及硬件系统可能会让工作内存优先存储于寄存器和高速缓存中。
  • 本地内存：每个线程都有一个私有的本地内存，本地内存存储了该线程以读 / 写共享变量的副本。每个线程只能操作自己本地内存中的变量，无法直接访问其他线程的本地内存。如果线程间需要通信，必须通过主内存来进行。本地内存是 JMM 抽象出来的一个概念，并不真实存在，它涵盖了缓存、写缓冲区、寄存器以及其他的硬件和编译器优化。

内存可见性问题

和 CPU cache 类似, 当多个线程同时读写共享变量时, 线程不存在同步机制会导致变量被覆写, 导致结果不可预见 image.png

如何解决内存可见性问题?

关于主内存与工作内存直接的具体交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存，如何从工作内存同步到主内存之间的实现细节，Java 内存模型定义来以下八种同步操作

image.png 初次之外还规定了很多同步规则,这不重要

指令重排序问题

为了提升执行速度/性能，计算机在执行程序代码的时候，会对指令进行重排序。

什么是指令重排序？ 简单来说就是系统在执行代码的时候并不一定是按照你写的代码的顺序依次执行。指令重排序可以保证串行语义一致，但是没有义务保证多线程间的语义也一致 ，所以在多线程下，指令重排序可能会导致一些问题。

happen-before 原则

happens-before 这个概念最早诞生于 Leslie Lamport 于 1978 年发表的论文《Time，Clocks and the Ordering of Events in a Distributed System》。在这篇论文中，Leslie Lamport 提出了逻辑时钟的概念，这也成了第一个逻辑时钟算法 。

逻辑时钟并不度量时间本身，仅区分事件发生的前后顺序，其本质就是定义了一种 happens-before 关系。

也就是说, happen-before确定了

  1. 只要不改变程序的执行结果（单线程程序和正确执行的多线程程序），编译器和处理器怎么进行重排序优化都行。
  2. 对于会改变程序执行结果的重排序，JMM 要求编译器和处理器必须禁止这种重排序。 image.png

结合happen-before关系和上述的同步规则, 就可以解决线程的通信与同步

  • 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，并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 Java 平台的具体实现必须要按照 happens-before 关系指定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果，与按 happens-before 关系来执行的结果一致，那么 JMM 也允许这样的重排序。 例如
int userNum = getUserNum();   // 1
int teacherNum = getTeacherNum();   // 2
int totalNum = userNum + teacherNum;  // 3

虽然 1 happens-before 2，但对 1 和 2 进行重排序不会影响代码的执行结果，所以 JMM 是允许编译器和处理器执行这种重排序的。但 1 和 2 必须是在 3 执行之前，也就是说 1,2 happens-before 3 。

happen-before 的实质就是前一个操作是否需要对后一个操作可见也就是涉及到了两个操作共有的变量, 需要便符合happen-before 关系 这与是否为并发环境无关

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