再有人問你Java記憶體模型是什麼，就把這篇文章發給他。

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前幾天，發了一篇文章，介紹了一下JVM記憶體結構、Java記憶體模型以及Java物件模型之間的區別。有很多小夥伴反饋希望可以深入的講解下每個知識點。Java記憶體模型，是這三個知識點當中最晦澀難懂的一個，而且涉及到很多背景知識和相關知識。

網上有很多關於Java記憶體模型的文章，在《深入理解Java虛擬機器》和《Java並發編程的藝術》等書中也都有關於這個知識點的介紹。但是，很多人讀完之後還是搞不清楚，甚至有的人說自己更懵了。本文，就來整體的介紹一下Java記憶體模型，目的很簡單，讓你讀完本文以後，就知道到底Java記憶體模型是什麼，為什麼要有Java記憶體模型，Java記憶體模型解決了什麼問題等。

本文中，有很多定義和說法，都是筆者自己理解後定義出來的。希望能夠讓讀者可以對Java記憶體模型有更加清晰的認識。當然，如有偏頗，歡迎指正。

記憶體模型，英文名Memory Model，他是一個很老的老古董了。他是與電腦硬體有關的一個概念。那麼我先給你介紹下他和硬體到底有啥關係。

CPU和緩衝一致性

我們應該都知道，電腦在執行程式的時候，每條指令都是在CPU中執行的，而執行的時候，又免不了要和資料打交道。而電腦上面的資料，是存放在主存當中的，也就是電腦的實體記憶體啦。

剛開始，還相安無事的，但是隨著CPU技術的發展，CPU的執行速度越來越快。而由於記憶體的技術並沒有太大的變化，所以從記憶體中讀取和寫入資料的過程和CPU的執行速度比起來差距就會越來越大,這就導致CPU每次操作記憶體都要耗費很多等待時間。

這就像一家創業公司，剛開始，創始人和員工之間工作關係其樂融融，但是隨著創始人的能力和野心越來越大，逐漸和員工之間出現了差距，普通員工原來越跟不上CEO的腳步。老闆的每一個命令，傳到到基層員工之後，由於基層員工的理解能力、執行能力的欠缺，就會耗費很多時間。這也就無形中拖慢了整家公司的工作效率。

可是，不能因為記憶體的讀寫速度慢，就不發展CPU技術了吧，總不能讓記憶體成為電腦處理的瓶頸吧。

所以，人們想出來了一個好的辦法，就是在CPU和記憶體之間增加快取。緩衝的概念大家都知道，就是儲存一份資料拷貝。他的特點是速度快，記憶體小，並且昂貴。

那麼，程式的執行過程就變成了：

當程式在運行過程中，會將運算需要的資料從主存複製一份到CPU的快取當中，那麼CPU進行計算時就可以直接從它的快取讀取資料和向其中寫入資料，當運算結束之後，再將快取中的資料重新整理到主存當中。

之後，這家公司開始設立中層管理員，管理員直接歸CEO領導，領導有什麼指示，直接告訴管理員，然後就可以去做自己的事情了。管理員負責去協調底層員工的工作。因為管理員是瞭解手下的人員以及自己負責的事情的。所以，大多數時候，公司的各種決策，通知等，CEO只要和管理員之間溝通就夠了。

而隨著CPU能力的不斷提升，一層緩衝就慢慢的無法滿足要求了，就逐漸的衍生出多級緩衝。

按照資料讀取順序和與CPU結合的緊密程度，CPU緩衝可以分為一級緩衝（L1），二級緩衝（L3），部分高端CPU還具有三級緩衝（L3），每一級緩衝中所儲存的全部資料都是下一級緩衝的一部分。

這三種緩衝的技術難度和製造成本是相對遞減的，所以其容量也是相對遞增的。

那麼，在有了多級緩衝之後，程式的執行就變成了：

當CPU要讀取一個資料時，首先從一級緩衝中尋找，如果沒有找到再從二級緩衝中尋找，如果還是沒有就從三級緩衝或記憶體中尋找。

隨著公司越來越大，老闆要管的事情越來越多，公司的管理部門開始改革，開始出現高層，中層，底層等管理者。一級一級之間逐層管理。

單核CPU只含有一套L1，L2，L3緩衝；

如果CPU含有多個核心，即多核CPU，則每個核心都含有一套L1（甚至和L2）緩衝，而共用L3（或者和L2）緩衝。

公司也分很多種，有些公司只有一個大Boss，他一個人說了算。但是有些公司有比如聯席總經理、合伙人等機制。

單核CPU就像一家公司只有一個老闆，所有命令都來自於他，那麼就只需要一套管理班底就夠了。

多核CPU就像一家公司是由多個合伙人共同創辦的，那麼，就需要給每個合伙人都設立一套供自己直接領導的高層管理員，多個合伙人共用使用的是公司的底層員工。

還有的公司，不斷壯大，開始差分出各個子公司。各個子公司就是多個CPU了，互相之前沒有共用的資源。互不影響。

為一個單CPU雙核的緩衝結構。

 

隨著電腦能力不斷提升，開始支援多線程。那麼問題就來了。我們分別來分析下單線程、多線程在單核CPU、多核CPU中的影響。

單線程。cpu核心的緩衝只被一個線程訪問。緩衝獨佔，不會出現存取違規等問題。

單核CPU，多線程。進程中的多個線程會同時訪問進程中的共用資料，CPU將某塊記憶體載入到緩衝後，不同線程在訪問相同的物理地址的時候，都會映射到相同的緩衝位置，這樣即使發生線程的切換，緩衝仍然不會失效。但由於任何時刻只能有一個線程在執行，因此不會出現緩衝存取違規。

多核CPU，多線程。每個核都至少有一個L1 緩衝。多個線程訪問進程中的某個共用記憶體，且這多個線程分別在不同的核心上執行，則每個核心都會在各自的caehe中保留一份共用記憶體的緩衝。由於多核是可以並行的，可能會出現多個線程同時寫各自的緩衝的情況，而各自的cache之間的資料就有可能不同。

在CPU和主存之間增加緩衝，在多線程情境下就可能存在緩衝一致性問題，也就是說，在多核CPU中，每個核的自己的緩衝中，關於同一個資料的緩衝內容可能不一致。

如果這家公司的命令都是串列下發的話，那麼就沒有任何問題。

如果這家公司的命令都是並行下發的話，並且這些命令都是由同一個CEO下發的，這種機制是也沒有什麼問題。因為他的命令執行者只有一套管理體系。

如果這家公司的命令都是並行下發的話，並且這些命令是由多個合伙人下發的，這就有問題了。因為每個合伙人只會把命令下達給自己直屬的管理員，而多個管理員管理的底層員工可能是公用的。

比如，合伙人1要辭退員工a，合伙人2要給員工a升職，升職後的話他再被辭退需要多個合伙人開會決議。兩個合伙人分別把命令下發給了自己的管理員。合伙人1命令下達後，管理員a在辭退了員工後，他就知道這個員工被開除了。而合伙人2的管理員2這時候在沒得到訊息之前，還認為員工a是在職的，他就欣然的接收了合伙人給他的升職a的命令。

 

處理器最佳化和指令重排

上面提到在在CPU和主存之間增加緩衝，在多線程情境下會存在緩衝一致性問題。除了這種情況，還有一種硬體問題也比較重要。那就是為了使處理器內部的運算單元能夠盡量的被充分利用，處理器可能會對輸入代碼進行亂序執行處理。這就是處理器最佳化。

除了現在很多流行的處理器會對代碼進行最佳化亂序處理，很多程式設計語言的編譯器也會有類似的最佳化，比如Java虛擬機器的即時編譯器（JIT）也會做指令重排。

可想而知，如果任由處理器最佳化和編譯器對指令重排的話，就可能導致各種各樣的問題。

關於員工組織調整的情況，如果允許人事部在接到多個命令後進行隨意拆分亂序執行或者重排的話，那麼對於這個員工以及這家公司的影響是非常大的。

 

並發編程的問題

 

前面說的和硬體有關的概念你可能聽得有點蒙，還不知道他到底和軟體有啥關係。但是關於並發編程的問題你應該有所瞭解，比如原子性問題，可見度問題和有序性問題。

其實，原子性問題，可見度問題和有序性問題。是人們抽象定義出來的。而這個抽象的底層問題就是前面提到的緩衝一致性問題、處理器最佳化問題和指令重排問題等。

這裡簡單回顧下這三個問題，並不準備深入展開，感興趣的讀者可以自行學習。我們說，並發編程，為了保證資料的安全，需要滿足以下三個特性：

原子性是指在一個操作中就是cpu不可以在中途暫停然後再調度，既不被中斷操作，要不執行完成，要不就不執行。

可見度是指當多個線程訪問同一個變數時，一個線程修改了這個變數的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。

有序性即程式執行的順序按照代碼的先後順序執行。

有沒有發現，緩衝一致性問題其實就是可見度問題。而處理器最佳化是可以導致原子性問題的。指令重排即會導致有序性問題。所以，後文將不再提起硬體層面的那些概念，而是直接使用大家熟悉的原子性、可見度和有序性。

 

什麼是記憶體模型

 

前面提到的，緩衝一致性問題、處理器器最佳化的指令重排問題是硬體的不斷升級導致的。那麼，有沒有什麼機制可以很好的解決上面的這些問題呢？

最簡單直接的做法就是廢除處理器和處理器的最佳化技術、廢除CPU緩衝，讓CPU直接和主存互動。但是，這麼做雖然可以保證多線程下的並發問題。但是，這就有點因噎廢食了。

所以，為了保證並發編程中可以滿足原子性、可見度及有序性。有一個重要的概念，那就是——記憶體模型。

為了保證共用記憶體的正確性（可見度、有序性、原子性），記憶體模型定義了共用記憶體系統中多線程程式讀寫操作行為的規範。通過這些規則來規範對記憶體的讀寫操作，從而保證指令執行的正確性。它與處理器有關、與緩衝有關、與並發有關、與編譯器也有關。他解決了CPU多級緩衝、處理器最佳化、指令重排等導致的記憶體訪問問題，保證了並發情境下的一致性、原子性和有序性。

記憶體模型解決並發問題主要採用兩種方式：限制處理器最佳化和使用記憶體屏障。本文就不深入底層原理來展開介紹了，感興趣的朋友可以自行學習。

什麼是Java記憶體模型

前面介紹過了電腦記憶體模型，這是解決多線程情境下並發問題的一個重要規範。那麼具體的實現是如何的呢，不同的程式設計語言，在實現上可能有所不同。

我們知道，Java程式是需要運行在Java虛擬機器上面的，Java記憶體模型（Java Memory Model ,JMM）就是一種符合記憶體模型規範的，屏蔽了各種硬體和作業系統的訪問差異的，保證了Java程式在各種平台下對記憶體的訪問都能保證效果一致的機制及規範。

提到Java記憶體模型，一般指的是JDK 5 開始使用的新的記憶體模型，主要由JSR-133: JavaTM Memory Model and Thread Specification 描述。感興趣的可以參看下這份PDF文檔（http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/jsr133.pdf）

Java記憶體模型規定了所有的變數都儲存在主記憶體中，每條線程還有自己的工作記憶體，線程的工作記憶體中儲存了該線程中是用到的變數的主記憶體副本拷貝，線程對變數的所有操作都必須在工作記憶體中進行，而不能直接讀寫主記憶體。不同的線程之間也無法直接存取對方工作記憶體中的變數，線程間變數的傳遞均需要自己的工作記憶體和主存之間進行資料同步進行。

而JMM就作用於工作記憶體和主存之間資料同步過程。他規定了如何做資料同步以及什麼時候做資料同步。

 

這裡面提到的主記憶體和工作記憶體，讀者可以簡單的類比成電腦記憶體模型中的主存和緩衝的概念。特別需要注意的是，主記憶體和工作記憶體與JVM記憶體結構中的Java堆、棧、方法區等並不是同一個層次的記憶體劃分，無法直接類比。《深入理解Java虛擬機器》中認為，如果一定要勉強對應起來的話，從變數、主記憶體、工作記憶體的定義來看，主記憶體主要對應於Java堆中的對象執行個體資料部分。工作記憶體則對應於虛擬機器棧中的部分地區。

所以，再來總結下，JMM是一種規範，目的是解決由於多線程通過共用記憶體進行通訊時，存在的本地記憶體資料不一致、編譯器會對代碼指令重排序、處理器會對代碼亂序執行等帶來的問題。目的是保證並發編程情境中的原子性、可見度和有序性。

Java記憶體模型的實現

瞭解Java多線程的朋友都知道，在Java中提供了一系列和並發處理相關的關鍵字，比如volatile、synchronized、final、concurren包等。其實這些就是Java記憶體模型封裝了底層的實現後提供給程式員使用的一些關鍵字。

在開發多線程的代碼的時候，我們可以直接使用synchronized等關鍵字來控制並發，從來就不需要關心底層的編譯器最佳化、緩衝一致性等問題。所以，Java記憶體模型，除了定義了一套規範，還提供了一系列原語，封裝了底層實現後，供開發人員直接使用。

本文並不準備把所有的關鍵字逐一介紹其用法，因為關於各個關鍵字的用法，網上有很多資料。讀者可以自行學習。本文還有一個重點要介紹的就是，我們前面提到，並發編程要解決原子性、有序性和一致性的問題，我們就再來看下，在Java中，分別使用什麼方式來保證。

原子性

在Java中，為了保證原子性，提供了兩個進階的位元組碼指令monitorenter和monitorexit。在synchronized的實現原理文章中，介紹過，這兩個位元組碼，在Java中對應的關鍵字就是synchronized。

因此，在Java中可以使用synchronized來保證方法和代碼塊內的操作是原子性的。

可見度

Java記憶體模型是通過在變數修改後將新值同步回主記憶體，在變數讀取前從主記憶體重新整理變數值的這種依賴主記憶體作為傳遞媒介的方式來實現的。

Java中的volatile關鍵字提供了一個功能，那就是被其修飾的變數在被修改後可以立即同步到主記憶體，被其修飾的變數在每次是用之前都從主記憶體重新整理。因此，可以使用volatile來保證多線程操作時變數的可見度。

除了volatile，Java中的synchronized和final兩個關鍵字也可以實現可見度。只不過實現方式不同，這裡不再展開了。

有序性

在Java中，可以使用synchronized和volatile來保證多線程之間操作的有序性。實現方式有所區別：

volatile關鍵字會禁止指令重排。synchronized關鍵字保證同一時刻只允許一條線程操作。

好了，這裡簡單的介紹完了Java並發編程中解決原子性、可見度以及有序性可以使用的關鍵字。讀者可能發現了，好像synchronized關鍵字是萬能的，他可以同時滿足以上三種特性，這其實也是很多人濫用synchronized的原因。

但是synchronized是比較影響效能的，雖然編譯器提供了很多鎖最佳化技術，但是也不建議過度使用。

 

總結

 

在讀完本文之後，相信你應該瞭解了什麼是Java記憶體模型、Java記憶體模型的作用以及Java中記憶體模型做了什麼事情等。

再有人問你Java記憶體模型是什麼，就把這篇文章發給他。