Java内存模型详解

介绍

极简计算机发展史

我们知道，计算机CPU和内存的交互是最频繁的，内存是我们的高速缓存区。而刚开始用户磁盘和CPU进行交互，CPU运转速度越来越快，磁盘远远跟不上CPU的读写速度，才设计了内存，但是随着CPU的发展，内存的读写速度也远远跟不上CPU的读写速度，因此，为了解决这一矛盾，CPU厂商在每颗CPU上加入了高速缓存，用来缓解这种症状，因此，现在CPU同内存交互就变成了下面的样子。

单核CPU的性能不可能无限制的增长，要想很多的提升新能，需要多个处理器协同工作。基于高速缓存的存储交互很好的解决了处理器与内存之间的矛盾，也引入了新的问题：缓存一致性问题。在多处理器系统中，每个处理器有自己的高速缓存，而他们又共享同一块内存（下文成主存，main memory 主要内存），当多个处理器运算都涉及到同一块内存区域的时候，就有可能发生缓存不一致的现象。为了解决这一问题，需要各个处理器运行时都遵循一些协议，在运行时需要用这些协议保证数据的一致性。

缓存一致性协议中最出名的就是Intel 的MESI协议，MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。它核心的思想是：当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存设置为无效状态，因此当其他CPU需要读取这个变量时，发现自己缓存中该变量是无效状态，那么它就会从内存重新读取

Java内存模型的抽象结构

Java的内存模型和上面的结构还是挺相似的，此时在看工作内存和主内存关系，从逻辑上，高速缓存对应工作内存，每个线程分配到CPU时间片时，独自享有高速缓存的使用能力。主内存对应存储的物理内存。特别注意，这只是逻辑上的对等关系，物理的上具体对应关系十分复杂，这里不讨论。

在java中，共享变量是指所有存储在堆内存中的实例字段，静态字段和数组对象元素，因为堆内存是所有线程共享的数据区。而局部变量，方法定义参数，异常处理参数不会在线程之间共享，它们不存在内存可见性问题，也不会受到Java内存模型的影响。

从上图来看，如果线程A和线程B之间要通信的话，必须要经历下面的两个过程：

1.线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。
2.线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。

示意图如下：

本地内存 A 和 B 有主内存共享变量 X 的副本。假设一开始时，这三个内存中 X 的值都是 0。线程 A 正执行时，把更新后的 X 值（假设为 1）临时存放在自己的本地内存 A 中。当线程 A 和 B 需要通信时，线程 A 首先会把自己本地内存 A 中修改后的 X 值刷新到主内存去，此时主内存中的 X 值变为了 1。随后，线程 B 到主内存中读取线程 A 更新后的共享变量 X 的值，此时线程 B 的本地内存的 X 值也变成了 1。