java内存模型

背景知识：由于CPU和内存之间处理速度的差异太大，现代计算机都会在内存和CPU之间增加一个速度尽可能接近CPU的高速缓存（Cache）。但这样又会引入新的问题，缓存一致性问题。多CPU系统中，每个CPU都有自己的高速缓存，而所有处理器都共享同一主内存，这就需要各个CPU在访问缓存时，都遵循同一协议。

现代计算机缓存一致性协议.png

Java 内存模型

JMM主要目标是定义程序中各个变量的访问规则,不包括局部变量，因为是线程私有的，不存在竞争。
JMM规定了所有变量都存储在主内存，每条线程还有自己的工作内存，线程的工作内存中保存了使用到的变量的主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作，都必须在工作内存中进行，而不能直接写入到主内存。不同线程不能直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量的传递均需通过主内存完成。

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• 内存间交互操作
  关于主内存和工作内存之间交互协议，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类的实现细节，JMM定义了8种操作，每种操作都是原子的。
  
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lock: 作用于主内存变量，他把一个变量标识为一条线程独占状态。如果对一个变量lock，那将会清空工作内存中此变量的值。
unlock:与lock对应，释放后的变量才能被其他线程锁定

尽管JVM没有把lock和unlock操作直接开放给用户，但却提供了更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐式的使用这两个操作，这俩字节码反映到java代码中就是同步块synchronize关键字，因此在synchronize块之间的操作也具备原子性。

JMM对于volatile变量的特殊规则

volatile变量是JVM提供的最轻量级同步机制。volatile变量也有在工作内存的副本，只是特殊的规范，让它看起来像直接操作主内存一样。

volatile变量特性：

1. 可见性：
   新值修改后立即同步主内存。每次使用前立即从主内存刷新

2. 禁止指令重排序
   A、 为什么要重排序
   cpu中有不同的电路单元，cpu会将各个指令分发给不同的电路单元执行。为了提升执行性能，cpu将一些指令进行重新排序，并保证重排序之后的结果与之前一致。

   B、volatile变量如何禁止重排序
   volatile修饰的变量，与其相关的所有指令，都不进行重排序。对volatile变量赋值后，插入一条指令（lock + 空操作），这条指令就是内存屏障，后面的指令不得排到屏障之前。
   同时，这个lock指令的特性是：把本CPU的cache写入到主内存中，这个写入操作会引起其他CPU内核无效化其Cache,所以之后其他CPU的读写操作，会重新从主内存获取。
   但是，由于计算是在执行引擎中进行，Cache无效化不会影响到执行引擎中的值，所以volatile变量同样不是线程安全的。

   C、为什么双重加锁检测中，要使用volatile
   因为volatile变量具有禁止重排序特性：
   instance = new Singleton();
   这个new 操作，包含多个指令：分配空间、初始化对象以及把地址赋值给instance变量。如果不使用volatile，那可能出现分配空间后紧接着赋值给instance，此时对象还没初始化。线程切换后，其他线程中此时null != instance，然后使用时就会出现问题。

   D、volatile变量在各个工作内存中不存在一致性问题？
   存在不一致：线程A读取变量，然后B又读取变量，接着线程A修改了变量值并刷新到主内存，此时存在不一致。
   但是，此时如果线程B要使用变量做计算，由于cache无效化，所以会重新读取，所以可以看做各个工作内存中（不包括执行引擎）是一致的。

由于JVM对锁的优化和消除，所以很难说volatile比锁快多少，即便它的开销比锁低，但我们选择volatile的唯一依据，仅仅是volatile的语义是否满足场景的需求。

先行发生原则

JMM中定义的两项操作之间的偏序关系，如果说操作A先行发生于操作B，其实就是说发生操作B之前，操作A产生的影响能被B观察到。

JMM中天然存在的先行发生关系：

1. 程序次序规则
2. unlock先行发生在后面对同一个锁lock之前
   3.volatile变量的写操作先行发生在后面的读操作
   4.等等常识性先行关系