Java内存模型

Java内存模型

概述

多任务是被证明的有效的压榨处理器能力的方式

一个服务端为多个客户端提供服务是常见的场景，并发协调是否有效大大影响了程序的效率

Java语言和JVM提供了很多工具大大降低了并发编程的门槛。但程序员不能过度依赖这些语言和框架，才能真正利用好这些工具

服务器常用的衡量性能量化指标：TPS, Transactions Per Second; 数据库常用的衡量性能量化指标：QPS, Queries Per Second

硬件效率与一致性

学习Java的并发，可以通过物理计算机中的并发问题找到相似点，有很大的参考意义。

1. 让计算机并发->充分利用计算机的性能，值得商榷 大多数运算任务，不止是依靠处理器，还需要与内存交互

存储与CPU性能的差距，需要在中间加一层高速缓存（Cache），作为内存与处理器之间的缓冲。

Cache引入问题：Cache Coherence，缓存一致性。每个处理器都有自己的高速缓存，却同享同一个主存。

此处应该有图：处理器,高速缓存，主内存的关系

2. 除了高速缓存的问题，还有指令乱序执行 目的是为了内部计算单元能够尽量被充分利用

Java内存模型

JMM, Java Memory Model, 用于屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异，达到多平台的一致性；C/C++直接使用物理硬件和操作系统的内存模型

在JMM的设计上，必须足够严谨用于保证正确性，也需要保证足够宽松，能够更好地使用硬件的各种特性。

主内存和工作内存

JMM的目标定义各个变量的访问规则：存取变量的细节

局部变量，方法参数都是线程私有，不会被共享，不会出现竞争问题

主内存类比物理机主内存；工作内存类比处理器告诉缓存。Working Memory 保存了变量的主内存副本，实际上是拷贝的引用和对象在某个线程中访问到的字段

不同线程的工作内存是独立的，这就是容易出现问题的地方

不准确的对应。

1. 与JVM对应：主内存->Java堆中的实例数据部分；工作内存->虚拟机栈中的部分区域
2. 与物理机对应：主内存->硬件内存；JVM则会将Working Memory 放在寄存器和高速缓存中

内存间的交互

交互的操作都可以视为是原子性的。除了double和long在某些平台有例外

交互操作：

1. lock, unlock : 作用于主内存变量，标示线程的独占状态
2. 作用于主内存：read, write
3. 作用于工作内存：load, store。与执行引擎相关：use, assign

交互原则

略微繁琐，可以使用“先行发生”原则来等效保证

对于 volatile 型变量的特殊规则

最轻量级的同步机制

voatile 的变量具备两种特性：

1. 保证对于其他线程的可见性：新值对于其他线程是立即可知的
2. 禁止指令重排

值得注意的问题，由于 Java 里面的运算并非原子操作，导致操作栈栈顶的值是过期数据。

如果要安全使用voatile，必须保证下面条件：（核心就是没有依赖）

1. 运算结果不依赖变量的当前值（比如直接赋值），单一线程访问（这就是废话）
2. 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束。

可以用于单例模式的创建。如果不适用voatile，则可以用以下代码：

public static Singleton getInstance() {
    if (instance == null) {
        synchronized(Singleton.class) {
            Singleton tmp = instance;
            if (tmp == null) {
                synchronized(Singlet.class) {
                    tmp = new Singleton();
                }
                instance = tmp;
            }
        }
    }
    return instance;
}

优化版本：
public static Singleton getInstance() {
    if (instance == null) {
        synchronized(Singleton.class) {
            Singleton tmp = instance;
            if (tmp == null) {
                synchronized(Singleton.class) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
    }
    return instance;
}