24、【对线面试官】为什么需要Java内存模型
今天想跟你聊聊Java内存模型，这块你了解过吗？
嗯，我简单说下我的理解吧。那我就从为什么要有Java内存模型开始讲起吧
单线程下，可见性/有序性/原子性都没问题
CPU为了效率，有了高速缓存、有了指令重排序等等，整块架构都变得复杂了。我们写的程序肯定也想要「充分」利用CPU的资源啊！于是乎，我们使用起了多线程
多线程在意味着并发，并发就意味着我们需要考虑线程安全问题
- 1.缓存数据不一致：多个线程同时修改「共享变量」，CPU核心下的高速缓存是「不共享」的，那多个cache与内存之间的数据同步该怎么做？
- 2.CPU指令重排序在多线程下会导致代码在非预期下执行，最终会导致结果存在错误的情况。
针对于「缓存不一致」问题，CPU也有其解决办法，常被大家所认识的有两种：
1.使用「总线锁」：某个核心在修改数据的过程中，其他核心均无法修改内存中的数据。（类似于独占内存的概念，只要有CPU在修改，那别的CPU就得等待当前CPU释放）
2.缓存一致性协议（MESI协议，其实协议有很多，只是举个大家都可能见过的）。MESI拆开英文是（Modified（修改状态）、Exclusive（独占状态）、Share（共享状态）、Invalid（无效状态））
缓存一致性协议我认为可以理解为「缓存锁」，它针对的是「缓存行」（Cache Iine）进行"加锁"，所谓「缓存行」其实就是高速缓存存储的最小单位。
MESI协议的原理大概就是：当每个CPU读取共享变量之前，会先识别数据的「对象状态」（是修改、还是共享、还是独占、还是无效）。
如果是独占，说明当前CPU将要得到的变量数据是最新的，没有被其他CPU所同时读取
如果是共享，说明当前CPU将要得到的变量数据还是最新的，有其他的CPU在同时读取，但还没被修改
如果是修改，说明当前CPU正在修改该变量的值，同时会向其他CPU发送该数据状态为invalid（无效）的通知，得到其他CPU响应后（其他CPU将数据状态从共享（share）变成invalid（无效），会当前CPU将高速缓存的数据写到主存，并把自己的状态从modify（修改）变成exclusive（独占）
如果是无效，说明当前数据是被改过了，需要从主存重新读取最新的数据。
其实MESI协议做的就是判断「对象状态」，根据「对象状态」做不同的策略移动
关键就在于某个CPU在对数据进行修改时，需要「同步」通知其他CPU，表示这个数据被我修改了，你们不能用了。
比较于「总线锁」，MESI协议的"锁粒度"更小了，性能那肯定会更高咯
但据我了解，CPU还有优化，你还知道吗？
- 同步，意味着等待，等待意味着什么都干不了。CPU肯定不乐意啊，所以又优化了一把。
- 优化思路就是从「同步」变成「异步」。
- 在修改时会「同步」告诉其他CPU，而现在则把最新修改的值写到「store buffe」中，并通知其他CPU记得要改状态，随后CPU就直接返回干其他事了。
- 等到收到其它CPU发过来的响应消息，再将数据更新到高速缓存中。
- 其他CPU接收到invalid（无效）通知时，也会把接收到的消息放入「invalid queue」中，只要写到「invalid queue.」就会直接返回告诉修改数据的CPU已经将状态置为「invalid」
- 而异步又会带来新问题：那我现在CPU修改完A值，写到「store buffer」了，CPU就可以干其他事了
- 那如果该CPU又接收指令需要修改A值，但上一次修改的值还在「store buffer.」中呢，没修改至高速缓存呢。
- 所以CPU在读取的时候，需要去「storebuffer.」看看存不存在，存在则直接取，不存在才读主存的数据。【Store Forwarding】
- 好了，解决掉第一个异步带来的问题了。（相同的核心对数据进行读写，由于异步，很可能会导致第二次读取的还是旧值，所以首先读「store buffer」。
- 那当然啊，那「异步化」会导致相同核心读写共享变量有问题，那当然也会导致「不同」核心读写共享变量有问题啊
- CPU1修改了A值，已把修改后值写到「store buffer.」并通知CPU2对该值进行invalid（无效）操作，而CPU2可能还没收到invalid（无效）通知，就去做了其他的操作，导致CPU2读到的还是旧值。
- 即便CPU2收到了invalid（无效）通知，但CPU1的值还没写到主存，那CPU2再次向主存读取的时候，还是旧值…
- 变量之间很多时候是具有「相关性」（a=1；b=0；b=a），这对于CPU又是无感知的.…
- 总体而言，由于CPU对「缓存一致性协议」进行的异步优化「store buffer」「invalid queue.」，很可能导致后面的指令很可能查不到前面指令的执行结果（各个指令的执行顺序非代码执行顺序），这种现象很多时候被称作「CPU乱序执行」
- 为了解决乱序问题（也可以理解为可见性问题，修改完没有及时同步到其他的CPU），又引出了「内存屏障」的概念。
- 「内存屏障」其实就是为了解决「异步优化」导致「CPU乱序执行」/「缓存不及时可见」的问题，那怎么解决的呢？嗯，就是把「异步优化」给”禁用“掉
- 内存屏障可以分为三种类型：写屏障，读屏障以及全能屏障（包含了读写屏障）
- 屏障可以简单理解为：在操作数据的时候，往数据插入一条"特殊的指令”。只要遇到这条指令，那前面的操作都得「完成」。
- 那写屏障就可以这样理解：CPU当发现写屏障的指令时，会把该指令「之前」存在于「store Buffer.」所有写指令刷入高速缓存。
- 通过这种方式就可以让CPU修改的数据可以马上暴露给其他CPU，达到「写操作」可见性的效果。
- 那读屏障也是类似的：CPU当发现读屏障的指令时，会把该指令「之前」存在于「invalid queue」所有的指令都处理掉
- 通过这种方式就可以确保当前CPU的缓存状态是准确的，达到「读操作」一定是读取最新的效果。
聊了半天，我一直在讲硬件/操作系统的东西，我要回到正题上了。
- 由于不同CPU架构的缓存体系不一样、缓存一致性协议不一样、重排序的策略不一样、所提供的内存屏障指令也有差异，为了简化Java开发人员的工作。Java封装了一套规范，这套规范就是「Java内存模型」
- 再详细地说，「Java内存模型」希望屏蔽各种硬件和操作系统的访问差异，保证了Java程序在各种平台下对内存的访问都能得到一致效果。
- 目的是解决多线程存在的原子性、可见性（缓存一致性）以及有序性问题。
那要不简单聊聊Java内存模型的规范和内容吧？
下次
总结
并发问题产生的三大根源是「可见性」「有序性」「原子性」
可见性：CPU架构下存在高速缓存，每个核心下的L1/L2高速缓存不共享（不可见）
有序性：主要有三部分可能导致打破（编译器和处理器可以在不改变「单线程」程序语义的情况下，可以对代码语句顺序进行调整重新排序
- 编译器优化导致重排序（编译器重排）
- 指令集并行重排序（CPU原生重排）
- 内存系统重排序（CPU架构下很可能有store buffer /invalid queue 缓冲区，这种「异步」很可能会导致指令重排）
原子性：Java的一条语句往往需要多条 CPU 指令完成(i++)，由于操作系统的线程切换很可能导致 i++ 操作未完成，其他线程“中途”操作了共享变量 i ，导致最终结果并非我们所期待的。
在CPU层级下，为了解决「缓存一致性」问题，有相关的“锁”来保证，比如“总线锁”和“缓存锁”。
- 总线锁是锁总线，对共享变量的修改在相同的时刻只允许一个CPU操作。
- 缓存锁是锁缓存行(cache line)，其中比较出名的是MESI协议，对缓存行标记状态，通过“同步通知”的方式，来实现(缓存行)数据的可见性和有序性
- 但“同步通知”会影响性能，所以会有内存缓冲区(store buffer/invalid queue)来实现「异步」进而提高CPU的工作效率
- 引入了内存缓冲区后，又会存在「可见性」和「有序性」的问题，平日大多数情况下是可以享受「异步」带来的好处的，但少数情况下，需要强「可见性」和「有序性」，只能"禁用"缓存的优化。
- “禁用”缓存优化在CPU层面下有「内存屏障」，读屏障/写屏障/全能屏障，本质上是插入一条"屏障指令"，使得缓冲区(store buffer/invalid queue)在屏障指令之前的操作均已被处理，进而达到 读写 在CPU层面上是可见和有序的。
不同的CPU实现的架构不一样，Java为了屏蔽硬件和操作系统访问内存的各种差异，提出了「Java内存模型」的规范，保证了Java程序在各种平台下对内存的访问都能得到一致效果。