JMM(Java Memory Model java内存模型

目标：

搞清楚高并发场景下，java内存模型是怎么支持的，对象在内存中是怎么布局的？

目标：

搞清楚高并发场景下，java内存模型是怎么支持的，对象在内存中是怎么布局的？

1.硬件层的并发优化基础知识

2.多核CPU线程访问条件下数据不一致性问题？

原因：

解决方案：

缓存行

MESI带来的伪共享问题

3.CPU的乱序执行问题

CPU乱序执行的原因

CPU乱序执行的表现

读指令的乱序执行

写指令的合并执行（write combining）

如何保证特定情况下，不乱序

CPU级别采用内存屏障保证或者Java的汇编指令 Lock ：

JVM级别再进行规范

Java代码级别采用volatitle关键字保障

1.字节码层面（.class文件）

2.JVM层面

3. os和硬件层面

1.硬件层的并发优化基础知识

备注：

L3高速缓存也是在主板上，所以也是被所有的CPU共享的。

L0寄存器，存储着CPU内部核心的几个计算单元，用于计算。

离CPU越近容量越小，成本越高，速度越快。

比如说有个变量int a=3;在 L2上，计算时CPU会先把a load到L1上，然后被L0直接加载计算。

2.多核CPU线程访问条件下数据不一致性问题？

原因：

两个CPU彼此独立，但是都是操作CPU的共享区域的数据，比如一个CPU 对X作了修改，另一CPU是不能及时知道的。这就造成了共享区域的数据对各个不同的CPU 来说数据不一致问题。

解决方案：

老的CPU:

总线锁会锁住总线，使得其他CPU甚至不能访问内存中其他的地址，因而效率较低

新的CPU

现在CPU的数据一致性，通过缓存锁+总线锁来解决

https://www.cnblogs.com/z00377750/p/9180644.html

新的CPU采用缓存锁（缓存一致性）来解决，一致性的协议又很多，Intel采用了MESI协议。

CPU会对缓存的内容做状态标记，如果读取的内容相对于主存来说被更改过（自己修改过），则状态改这个内容对应的缓存行状态改为Modified（别的cpu对这个内容所在缓存行状态就是Invalid）;如果读取的内容自己独享，就将其所在缓存行状态改为Exclusive。如果读取的内容，我读的时候别人也在读取，该内容所在缓存行状态就修改为Shared。如果读取的内容别的cPU已经修改过，说明我的读的内容无效了，该内容所在缓存行状态就变为Invalid。

缓存行

现在cpu 缓存数据，不是一个字节一个字节来缓存，而是以一个缓存行，默认64字节。一次性加载到缓存中。

MESI带来的伪共享问题

如果自己要修改某个数据A，发现它的状态已经变为了Invalid，则去缓存中再加载一次。

思考这个场景： x,y位于同一个缓存行，cpu1只想的读取x，cpu2只想读取y

由于读取时必须以缓存行为单位，cpu1 读取x时，也读取到了y。 cpu1改变了x的值后，x所在的缓存行的状态在CPU1中就会被改变为modified, 在cpu2中x所在的缓存行状态就会变为invalid。因此,cpu2 本来想读取y,一看y 所在缓存行状态变为了 invalid 。就会去重新加载y所在的缓存行。问题是cpu2其实只关注y,y的值也没有变化，而x的变化和它无关。因此本质上cpu2不需要去进行这次缓存加载的。

同理cpu2对y作了修改，后cpu1也得重新加载x所对应的缓存行。

这样的重新加载是一种时间和资源的浪费，缓存一致性或者说缓存锁解决数据安全问题的的同时带来的这个多次非必要加载缓存问题被称为伪共享问题。

3.CPU的乱序执行问题

首先明确一个事实，CPU执行指令的时候是乱序执行的。

CPU乱序执行的原因

https://www.cnblogs.com/liushaodong/p/4777308.html

CPU的执行指令在内存中做一些操作，因为CPU的执行速度相较于内存至少时100倍，所以CPU不能干等着执行结果，为了提高效率，CPU就在一条指令执行结束之前，继续执行别的指令。这种不按照程序的编写顺序执行的情况，被称为CPU的乱序执行问题。乱序变现在读指令的乱序，和写指令的乱序。

当然乱序执行不能带来程序的最终执行结果的乱序。所以，计算机底层，对CPU的乱序执行也是作了规范，也保障乱序执行的结果是正确的。提高了执行效率，也保证执行结果的正确性。

CPU乱序执行的表现

读指令的乱序执行

CPU在执行一条读指令后等待该指令执行完（或者返回结果）前，回去执行另一条与该指令没有依赖关系的读指令

写指令的合并执行（write combining）

合并写：

CPU将计算好的值A缓存到L1,如果缓存失败，就会缓存到L2,再此过程中L2相对于CPU太慢了，如果这个过程中A值被改写了几次。CPU会直接将改写的最终结果刷到L2。这种情况被称为合并写

如何保证特定情况下，不乱序

某些特定场景写要保证顺序，如何保障有序性

CPU级别采用内存屏障保证或者Java的汇编指令 Lock ：

sfence:在sfence指令前的写操作当必须在sfence指令后的写操作前完成。

lfence：在lfence指令前的读操作当必须在lfence指令后的读操作前完成。

mfence：在mfence指令前的读写操作当必须在mfence指令后的读写操

作前完成。

原子指令，如x86上的”lock …” 指令是一个FullBarrier，执行时会锁住内存子系统来确保执行顺

序，甚至跨多个CPU。Software Locks通常使用了内存屏障或原子指令来实现变量可见性和保持

程序顺序

JVM级别再进行规范

LoadLoad屏障：对于这样的语句Load1; LoadLoad; Load2，
在Load2及后续读取操作要读取的数据被访问前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。

StoreStore屏障：
对于这样的语句Store1; StoreStore; Store2，
在Store2及后续写入操作执行前，保证Store1的写入操作对其它处理器可见。

LoadStore屏障：
对于这样的语句Load1; LoadStore; Store2，
在Store2及后续写入操作被刷出前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。

StoreLoad屏障：对于这样的语句Store1; StoreLoad; Load2，
在Load2及后续所有读取操作执行前，保证Store1的写入对所有处理器可见。

备注：这些规范的实现，是依赖于硬件级别的原理来实现的。具体用哪些硬件原理，怎么组合操作，JVM自己决定。