JMM - 内存模型

1，CPU缓存架构

1）cpu缓存架构图

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2）术语
Cache Line：缓存行，又称slot通常64KB，cpu将其高速缓存均分为若干等份，每份称为缓存行。
Hot Data：热点数据，被缓存行缓存的数据。
缓存分级：L1和L2一般是cpu核心私有，L3是所有cpu核心共享。
系统总线：cpu通过总线访问磁盘和主存上的数据。
LRU算法：缓存替换算法，最近最少使用算法。
缓存一致性协议：通过缓存锁定保证cpu修改缓存行中共享变量、通知其他cpu这两个操作的事务性。cpu修改变量并通知其他cpu -> 其他cpu将cache line设置为valid -> cpu访问valid行时等待已修改变量刷回储存 -> 从主存中取得新的共享变量到自己的cache line中。

2，并发编程三要素

多CPU多级缓存导致的 - 可见性(一致性)问题
CPU时间片机制导致的 - 原子性问题
处理器优化和指令重排序导致的 - 有序性问题
1）可见性
不可见由cpu cache引起：每个线程可以在不同的cpu核心上切换，可以理解为每个线程都有一份"本地内存(对cpu cache的抽象)"，线程在自己本地内存中修改共享变量的副本，其他线程无感知。
volatile：底层启用了缓存一致性协议，每次对volatile的改写立即刷新到主存，且后续对volatile的读操作都从主存中读。
2）原子性
定义：一个或者多个操作必须连续执行不可分解。
a = 1;//putField是原子的
a = b;//变量赋值非原子的，getField -> putField
a++;//a = a + 1非原子的，getField -> add -> putField
Object obj = new Object();//创建对象非原子。分配内存 -> 初始化对象 -> 返回内存地址。使用valatile修饰obj，防止对象init完成前，instance被其他线程使用。
3）有序性
a = 1;
b = a;
flag = true
指令重排：flag = true可能会重排在前两条语句之前，因为没有依赖关系。
happens-before：对volatile变量的写，happens-before随后对同一个volatile变量的读。
4）volatile两大作用
保证内存可见性：底层使用缓存一致性原理，保证cpu cache缓存中cache line的一致性。
防止指令重排：通过内存屏障，在volatile变量的写操作前、写操作后、读操作前、读操作后各加入一个内存屏障。

3，JMM内存模型

屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异
1）主存和工作内存
所有变量都存储在主存中。
线程有自己的工作内存，变量是主存变量的拷贝副本。
线程对变量的所有操作，都必须在工作内存中进行。线程间值传递需要通过主存完成。

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2）主存和工作内存间交互
规则：read-load、store-write必须成对出现。
lock锁定：作用于主存变量，标志为线程独占的状态(monitorenter)。
unlock解锁：作用于主存变量，释放处于锁定的变量(monitorexit)。
read读取：作用于主存变量，把变量的值从主内存传输到线程工作内存中。
load载入：作用于工作内存的变量，把read得到的值，放入工作内存的变量副本中。
use使用：作用于工作内存的变量，把变量的值传递给执行引擎。
assign赋值：作用于工作内存的变量，把执行引擎的值赋给工作内存的变量。
store存储：作用于工作内存的变量，把工作内存中的变量传送到主存中。
write写入：作用于主存变量，把store操作得到的值，放入主存变量中。
3）happens-before规则
happens-before规则：如果一个操作happens-before另一个操作，第一个操作的执行结果需要对另一个操作可见。可用来判断数据是否竞争、线程是否安全。
程序次序规则：(Program Order Rule) 一个线程内，按照程序代码顺序，书写在前面的操作happens-before书写在后面的操作。(控制流顺序)
管程锁定规则：(Monitor Lock Rule)一个unlock操作happens-before 后面(时间先后)对同一个锁的lock操作。
volatile变量规则：(Volatile Variable Rule)对一个volatile变量的写操作happens-before后面(时间先后)对这个变量的读操作。
线程启动规则：Thread对象的start方法happens-before与此线程的每一个动作。
线程终止规则：线程中所有的操作都happens-before此线程的终止检测。
线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用happens-before被中断线程的代码检测到中断事情的发生。Thread.interrupted()检测
对象终结规则：一个对象的初始化happens-before它的finalize方法。
传递性：(Transitivity)如果A happens-before B，B happens-before C 那么可以推导出A happens-before C。
4）happens-before例子
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