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27、【对线面试官】深入浅出Java内存模型

上一次已经问过了为什么要有Java内存模型

Java内存模型定义了：Java线程对内存数据进行交互的规范。
- 线程之间的「共享变量」存储在「主内存」中，每个线程都有自己私有的「本地内存」，「本地内存」存储了该线程以读/写共享变量的副本。
- 本地内存是Java内存模型的抽象概念，并不是真实存在的。

Java内存模型规定了：线程对变量的所有操作都必须在「本地内存」进行，「不能直接读写主内存」的变量
- Java内存模型定义了8种操作来完成「变量如何从主内存到本地内存，以及变量如何从本地内存到主内存」
- 分别是read/load/use/assign/store/write/lock/unlock操作
- 对变量一个读写操作就涵盖这些操作

按我的理解下，happen-before实际上也是一套「规则」。Java内存模型定义了这套规则，目的是为了阐述「操作之间」的内存「可见性」
- 从上次讲述「指令重排」就提到了，在CPU和编译器层面上都有指令重排的问题。
但：在某些重要的场景下，这一组操作都不能进行重排序，「前面一个操作的结果对后续操作必须是可见的」。
- Java内存模型就提出了happen-before这套规则，规则总共有8条
  - 比如传递性、volatile变量规则、程序顺序规则、监视器锁的规则…
有了happen-before这些规则。我们写的代码只要在这些规则下，前一个操作的结果对后续操作是可见的，是不会发生重排序的。

为了实现volatile有序性和可见性，定义了4种内存屏障的「规范」，
分别是LoadLoad/LoadStore/StroreLoad/StoreStrore
本质上，就是在volatile前后加上了内存屏障，使得编译器和CPU无法进行重排序，致使有序，并且对volatile变量对其他线程可见
Hotspot虚拟机实现
- 在「汇编」层面上实际是通过Lock前缀指令来实现的（lock支持大部分平台，而fence指令是x86平台的）
- locK指令能保证：禁止CPU和编译器的重排序（保证了有序性）、保证CPU写核心的指令可以立即生效且其他核心的缓存数据失效（保证了可见性）。

没有直接关联
Java内存模型关注的是编程语言层面上，它是高维度的抽象。
MESI是CPU缓存一致性协议，不同的CPU架构都不一样，可能有的CPU压根就没用MESI协议.
只不过MESI名声大，大家就都拿他来举例子了。
MESI可能只是在「特定的场景下」为实现volatile的可见性/有序性而使用到的一部分罢了
为了让Java程序员屏蔽上面这些底层知识，快速地入门使用volatile变量
Java内存模型的happen-before规则中就有对volatile变量规则的定义：对一个volatile变量的写操作相对于后续对这个volatile变量的读操作可见
只要变量声明了volatile关键字，写后再读，读必须可见写的值。（可见性、有序性）

为什么存在Java内存模型：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

Java内存模型抽象结构：线程之间的「共享变量」存储在「主内存」中，每个线程都有自己私有的「本地内存」，「本地内存」存储了该线程以读/写共享变量的副本。线程对变量的所有操作都必须在「本地内存」进行，而「不能直接读写主内存」的变量

happen-before规则：Java内存模型规定在某些场景下（一共8条），前面一个操作的结果对后续操作必须是可见的。这8条规则成为happen-before规则

volatile：volatile是Java的关键字，修饰的变量是可见性且有序的（不会被重排序）。可见性&&有序性，由Java内存模型定义的「内存屏障」完成，实际HotSpot虚拟机实现Java内存模型规范，汇编底层是通过Lock指令来实现。