并发之初章Java内存模型

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前言

首先我们在了解java内存模型之前先看一下计算机内存模型,理解了计算机内存模型的话后面在看JMM就会简单的多,上篇文章我是直接写的。

计算机内存

计算机是由CPU、主存、磁盘等组成的(简单引出问题熬)我们都知道计算机执行程序的指令都是由CPU来执行的,执行的时候是要处理数据的,这些数据通常存储在主存中。

如图所示,这时候问题来了,CPU的执行速度越来越快,然后内存倒是没什么进展,这样的话CPU的读写操作就会非常耗时,效率不就很低了?

所以这个时候就出现了高速缓存(Cache)来解决这个问题,那么缓存是什么呢?缓存其实就是保存的数据备存,特点是快。所以这个时候程序的执行过程就变成了这个样子:首先在运行的时候会把数据从主存中赋值一份放在缓存中,然后CPU在运算的时候就直接去缓存中读写数据,等执行结束后在把数据刷新到主存中。这样一来就大大的提高了执行的速度。我们来看一下流程图:

可以看出,运行的时候L1缓存先把数据从主存中读取出来,然后CPU操作的数据是从缓存中读取,当数据执行完毕,在从缓存中刷新到主存中。随着CPU的执行能力越来越强,一层缓存已经满足不了需求了,这时候就出现了2级缓存(L2Cache)3级缓存(L3Cache),每级缓存都存储的是下一级缓存的一部分数据。

那么当CPU需要数据的时候就会这样执行:首先去一级缓存(L1Cache)查找,如果一级缓存没有就去二级缓存(L2Cache)查找,二级缓存没有就去三级缓存(L3Cache)查找,如果缓存中没有,就去主存中查找。 那么问题来了。

缓存一致性

现代计算机已经不是单个CPU,有多个CPU每个CPU还可能会有多核,单核CPU只有一套缓存分别就是上面所说的L1、L2、L3如图所示:

如果CPU有多个核心的话,就是每个核心都有L1缓存或者有L2缓存,而共享L3缓存或者L2缓存。

我们来看一下结构图:

这个时候每个核心都有自己的高速缓存,它们又共享同一主存,就会造成缓存一致性的问题,在多线程同时访问同一共享数据的情况下,每个线程都是操作自己缓存的数据副本,这个时候就会出现每个缓存中的共享数据存在不一致的情况。多个处理器运算任务都涉及同一块主存,需要一种协议可以保障数据的一致性,这类协议有MSI、MESI、MOSI及Dragon Protocol等。

处理器优化

上面了解到提高CPU的效率就是在CPU和主存直接增加高速缓存,增加高速缓存会造成缓存不一致的问题,除了缓存不一致的问题,还有一种问题就是为了能让处理器内部的运算单元能够尽量的被充分利用处理器可能会对输入代码进行乱序执行,并且处理器会在计算之后将乱序的代码进行结果重组来保证结果的一致性。在Java虚拟机中也有类似的 指令重排序

思考

这篇文章其实是讲述java内存模型的,为什么会和计算机硬件扯上关系呢?注意到上面有说到多线程的情况下会造成缓存不一致的问题,提到多线程就离不开并发,想到并发的话就离不开三大问题,可见性,原子性,有序性的问题。那这三种特性不就是上面所说到的缓存不一致,处理器优化和指令重排序问题吗。这这样看来缓存不一致不就是可见性的问题,而原子性不就是处理器优化所导致的原子性问题,指令重排序就是导致有序性的问题。那么Java内存模型又是什么呢?

java内存模型

Java内存模型的作用就是用来屏蔽掉不同操作系统中的内存差异性来保持并发的一致性。同时JMM也规范了JVM如何与计算机内存进行交互。简单的来说java内存模型就是Java自己的一套协议来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异,实现平台一致性达到最终的" 一次编写,到处运行 "。看到这里就知道了Jmm是用来做什么的。同时Java内存模型可以理解为java并发内存模型。然后JMM

通信

Java内存模型(以下简称JMM)规定了,所有变量都存储在主内存中,每个线程都有自己的本地缓存,所以线程中对变量的操作都必须在本地缓存中进行并不是直接操作主内存,线程之间的无法访问对方线程的变量,想要通信的话就只能通过主内存进行通信。

JMM抽象示意图:

从上图可以看出每个线程都有一个本地内存,如果线程想要通信的话要执行一下步骤:

  • A线程先把本地内存的值写入主内存
  • B线程从主内存中去读取出A线程写的值

具体通信规则可以参考我上一篇文章: Java内存模型 里面定义了八种通信规则。

到这里就对JMM有个清晰的理解了。JMM其实是一种规范,其主要目的就是为了解决多线程通过共享内存进行通信时所产生的本地内存数据不一致,编译器会对代码指令重排序、处理器会对代码乱序执行等带来的问题。

解决的问题

JMM所解决的问题离不开我们上面所说的三大特性:可见性、原子性、有序性.

原子性:在java中使用synchronized关键字保证代码的原子性,synchronized实现原理后面会单独写一篇文章。

可见性:volatile关键字保证了多线程操控变量的可见性,同时synchronized和final也可以保证变量的可见性,注意:volatile并不保证原子性,所以什么时候用volatile一定要注意。

有序性:volatile可以禁用指令重排,synchronized关键字保证同一时刻只允许一条线程操作所以我们可以发现synchronized可以解决三种问题,所以使用synchronized关键字比较多,但是synchronized只允许一个线程进行操作,会造成上下文切换的效率问题。

总结

通过上文一定对JMM是什么,和有什么作用有了一定的理解这里推荐《深入理解Java虚拟机》

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