Java內(nèi)存模型的概念

volatile這個(gè)關(guān)鍵字可能很多朋友都聽說過，或許也都用過。在Java 5之前，它是一個(gè)備受爭(zhēng)議的關(guān)鍵字，因?yàn)樵诔绦蛑惺褂盟鶗?huì)導(dǎo)致出人意料的結(jié)果。在Java 5之后，volatile關(guān)鍵字才得以重獲生機(jī)。

volatile關(guān)鍵字雖然從字面上理解起來(lái)比較簡(jiǎn)單，但是要用好不是一件容易的事情。由于volatile關(guān)鍵字是與Java的內(nèi)存模型有關(guān)的，因此在講述volatile關(guān)鍵之前，我們先來(lái)了解一下與內(nèi)存模型相關(guān)的概念和知識(shí)，然后分析了volatile關(guān)鍵字的實(shí)現(xiàn)原理，最后給出了幾個(gè)使用volatile關(guān)鍵字的場(chǎng)景。

以下是本文的目錄大綱：

一、Java內(nèi)存模型的概念

二、Java并發(fā)編程中的三個(gè)概念

三、Java內(nèi)存模型

四、深入剖析volatile關(guān)鍵字

五、使用volatile關(guān)鍵字的場(chǎng)景

Java內(nèi)存模型的概念

大家都知道，計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)，每條指令都是在CPU中執(zhí)行的，而執(zhí)行指令過程中，勢(shì)必涉及到數(shù)據(jù)的讀取和寫入。由于程序運(yùn)行過程中的臨時(shí)數(shù)據(jù)是存放在主存(物理內(nèi)存)當(dāng)中的，這時(shí)就存在一個(gè)問題，由于CPU執(zhí)行速度很快，而從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)和向內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)的過程跟CPU執(zhí)行指令的速度比起來(lái)要慢的多，因此如果任何時(shí)候?qū)?shù)據(jù)的操作都要通過和內(nèi)存的交互來(lái)進(jìn)行，會(huì)大大降低指令執(zhí)行的速度。因此在CPU里面就有了高速緩存。

也就是，當(dāng)程序在運(yùn)行過程中，會(huì)將運(yùn)算需要的數(shù)據(jù)從主存復(fù)制一份到CPU的高速緩存當(dāng)中，那么CPU進(jìn)行計(jì)算時(shí)就可以直接從它的高速緩存讀取數(shù)據(jù)和向其中寫入數(shù)據(jù)，當(dāng)運(yùn)算結(jié)束之后，再將高速緩存中的數(shù)據(jù)刷新到主存當(dāng)中。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，比如下面的這段代碼：

i = i + 1;

當(dāng)線程執(zhí)行這個(gè)語(yǔ)句時(shí)，會(huì)先從主存當(dāng)中讀取i的值，然后復(fù)制一份到高速緩存當(dāng)中，然后CPU執(zhí)行指令對(duì)i進(jìn)行加1操作，然后將數(shù)據(jù)寫入高速緩存，最后將高速緩存中i最新的值刷新到主存當(dāng)中。

這個(gè)代碼在單線程中運(yùn)行是沒有任何問題的，但是在多線程中運(yùn)行就會(huì)有問題了。在多核CPU中，每條線程可能運(yùn)行于不同的CPU中，因此每個(gè)線程運(yùn)行時(shí)有自己的高速緩存(對(duì)單核CPU來(lái)說，其實(shí)也會(huì)出現(xiàn)這種問題，只不過是以線程調(diào)度的形式來(lái)分別執(zhí)行的)。本文我們以多核CPU為例。

比如同時(shí)有2個(gè)線程執(zhí)行這段代碼，假如初始時(shí)i的值為0，那么我們希望兩個(gè)線程執(zhí)行完之后i的值變?yōu)?。但是事實(shí)會(huì)是這樣嗎?

可能存在下面一種情況：初始時(shí)，兩個(gè)線程分別讀取i的值存入各自所在的CPU的高速緩存當(dāng)中，然后線程1進(jìn)行加1操作，然后把i的最新值1寫入到內(nèi)存。此時(shí)線程2的高速緩存當(dāng)中i的值還是0，進(jìn)行加1操作之后，i的值為1，然后線程2把i的值寫入內(nèi)存。

最終結(jié)果i的值是1，而不是2。這就是著名的緩存一致性問題。通常稱這種被多個(gè)線程訪問的變量為共享變量。

也就是說，如果一個(gè)變量在多個(gè)CPU中都存在緩存(一般在多線程編程時(shí)才會(huì)出現(xiàn))，那么就可能存在緩存不一致的問題。

為了解決緩存不一致性問題，通常來(lái)說有以下2種解決方法：

1、通過在總線加LOCK#鎖的方式

2、通過緩存一致性協(xié)議

這2種方式都是硬件層面上提供的方式。

在早期的CPU當(dāng)中，是通過在總線上加LOCK#鎖的形式來(lái)解決緩存不一致的問題。因?yàn)镃PU和其他部件進(jìn)行通信都是通過總線來(lái)進(jìn)行的，如果對(duì)總線加LOCK#鎖的話，也就是說阻塞了其他CPU對(duì)其他部件訪問(如內(nèi)存)，從而使得只能有一個(gè)CPU能使用這個(gè)變量的內(nèi)存。比如上面例子中 如果一個(gè)線程在執(zhí)行 i = i +1，如果在執(zhí)行這段代碼的過程中，在總線上發(fā)出了LCOK#鎖的信號(hào)，那么只有等待這段代碼完全執(zhí)行完畢之后，其他CPU才能從變量i所在的內(nèi)存讀取變量，然后進(jìn)行相應(yīng)的操作。這樣就解決了緩存不一致的問題。

但是上面的方式會(huì)有一個(gè)問題，由于在鎖住總線期間，其他CPU無(wú)法訪問內(nèi)存，導(dǎo)致效率低下。所以就出現(xiàn)了緩存一致性協(xié)議。最出名的就是Intel 的MESI協(xié)議，MESI協(xié)議保證了每個(gè)緩存中使用的共享變量的副本是一致的。它核心的思想是：當(dāng)CPU寫數(shù)據(jù)時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)操作的變量是共享變量，即在其他CPU中也存在該變量的副本，會(huì)發(fā)出信號(hào)通知其他CPU將該變量的緩存行置為無(wú)效狀態(tài)，因此當(dāng)其他CPU需要讀取這個(gè)變量時(shí)，發(fā)現(xiàn)自己緩存中緩存該變量的緩存行是無(wú)效的，那么它就會(huì)從內(nèi)存重新讀取。