Java内存模型

Java内存模型规范（JSR-133）是围绕原子性、可见性和有序性展开的。

Java内存模型（Java Memory Model，JMM）规定了Java程序中多线程并发访问变量时，变量值的可见性、原子性和有序性的保证规则。

JMM定义了一套Java虚拟机规范，规定了Java虚拟机对于内存的读写操作、指令重排序和多线程同步的行为。JMM的设计目标是使Java程序在不同的Java虚拟机和操作系统平台上都能够有相同的行为。

具体来说，JMM规定了以下几个方面：

  1. 所有的变量都存储在主内存中，每个线程都有自己的工作内存，线程的读写操作都必须通过主内存进行。
  2. 在每个线程的工作内存中，包含了该线程使用到的变量的副本拷贝。
  3. 所有的变量都是volatile、synchronized和final变量时，会保证线程读写变量的原子性和可见性。
  4. 对于非volatile和非final变量，线程对变量进行读写操作前，必须先从主内存读取变量值到工作内存，操作完成后再将工作内存的值写回主内存。
  5. 在Java内存模型中，指令重排序是允许的，但是JMM规定了一系列的happens-before规则来确保指令重排序不会导致程序的执行结果发生错误。

Java内存模型的设计目标是提供一种高效、灵活和安全的多线程编程模型。同时，在实际开发中，开发者需要了解Java内存模型的规范，合理地使用volatile和synchronized关键字以及其他同步机制，保证多线程程序的正确执行。

原子性、可见性、有序性

img原子性、可见性、有序性

如下图说明了Java线程、工作内存和主存之前的关系。

imgJava多线程、工作内存和主内存关系

Java内存模型（JMM）定义了一套自己的主存到工作内存之间的交互协议，即一个变量如何从主存拷贝到工作内存，又如何从工作内存写入主存，该协议包含8种操作，并且要求JVM具体实现必须保证其中每一种操作都是原子的、不可再分的。 8种操作分别是：

imgJMM8大原子操作

如下图描述了以上8个操作所在位置：

img

什么是指令重排，为什么需要？

要搞懂指令重排，首先要知道一条指令在CPU内是如何执行的，如下图约5个步骤。

imgCPU指令执行

为了加快指令并行速度，CPU硬件支持了流水线技术。

imgCPU流水线

不同的指令步骤执行在不同的硬件局部，从而可以支持同时并发执行。

imgCPU流水线硬件布局

知道了CPU流水线之后，我们来看一个A=B+C的流水线执行过程例子：

img指令执行过程

如果按串行排列，则耗时4 * 5 = 20个时钟周期；使用CPU流水线并行技术后，可以只消耗9个时钟周期，节省了11个时钟周期的时间。所以流水线技术的引入，大大提高了CPU并行执行速度。 再看如下图的例子：

img流水线执行过程

多条语句执行时，通过指令重排可以消除一些CPU中断，从而缩短执行时间，加快执行速度。

重排序

img执行令重排序

对于Java语言来说，为了提高新能，从源码到得到指令执行序列可能会经过编译器重排序和CPU重排序；CPU重排序又分为指令级重排和内存系统重排。

编译器重排序

编译器重排序指的是在代码编译阶段进行指令重排，不改变程序执行结果的情况下，为了提升效率，编译器对指令进行乱序（Out-of-Order）的编译。

CPU重排序

流水线（Pipeline）和乱序执行（Out-of-Order Execution）是现代CPU基本都具有的特性。

所谓“乱序”，仅仅是被称为“乱序”，实际上也遵循着一定规则：只要两个指令之间不存在“数据依赖”，就可以对这两个指令乱序。

CPU重排序包括两类：指令级重排序和内存系统重排序。

  • 指令级重排序 在不影响程序执行结果的情况下，CPU内核采用ILP（Instruction-Level Parallelism，指令级并行运算）技术来将多条指令重叠执行，主要是为了提升效率。如果指令之间不存在数据依赖性，CPU就可以改变语句的对应机器指令的执行顺序，叫作指令级重排序。
  • 内存系统重排序 对于现代的CPU来说，在CPU内核和主存之间都具备一个高速缓存，高速缓存的作用主要是减少CPU内核和主存的交互（CPU内核的处理速度要快得多），在CPU内核进行读操作时，如果缓存没有的话就从主存取，而对于写操作都是先写在缓存中，最后再一次性写入主存。

由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

哪些指令不能重排：Happen-Before原则（先行发生）

imghappen before8大原则