Java并发编程：Java内存模型JMM

简介

Java内存模型英文叫做（Java Memory Model），简称为JMM。Java虚拟机规范试图定义一种Java内存模型来屏蔽掉各种硬件和系统的内存访问差异，实现平台无关性。

CPU和缓存一致性

讲JMM之前，我们应该先了解下CPU和缓存一致性的问题。计算机在执行程序的时候，每条指令都是在CPU中执行的，而执行的时候，又要和数据打交道。而计算机上面的数据，是存放在内存当中的。随着CPU的高速发展，从内存中读取和写入数据的过程和CPU的执行速度比起来差距就会越来越大，这导致了CPU不能满负荷的工作，需要去等待数据从内存中读取或者写入。

为了解决内存和CPU速度不一致的问题，继而引入了高速缓存这么一个东西。在CPU和内存之间，放一个高速缓存作为缓冲，这样一来就提升了CPU的读写速度。

高速缓存解决了处理器和内存速度的矛盾，但是却引入了另外一个复杂的问题——缓存一致性。在多处理器系统中，每个处理器都有自己的高速缓存，而内存又是各处理器共享的，这就可能导致各自的缓存数据不一致的情况。

为了解决缓存一致性的问题，各个处理器访问缓存时都遵循一定的协议，在读写时根据协议来操作，进而保证缓存的一致性。为了保证共享内存的正确性（可见性、有序性、原子性），内存模型定义了共享内存系统中多线程程序读写操作行为的规范。

Java内存模型(JMM)

Java虚拟机规范试图定义一种Java内存模型来屏蔽掉各种硬件和系统的内存访问差异，实现平台无关性。其底层是根据不同系统的缓存读写协议分别进行处理的。开发者不用去关心各系统的差异，因为JVM已经帮我们屏蔽了各系统的细节差异，我们只需要关注JMM即可。

Java内存模型就是一种符合内存模型规范的，屏蔽了各种硬件和操作系统的访问差异的，保证了Java程序在各种平台下对内存的访问都能保证效果一致的机制及规范。

Java内存模型定义了线程和主内存之间的抽象关系，Java各线程之间的通信是有Java内存模型所控制的。从抽象来讲，线程之间的共享变量存储在主内存（main memory）中，每个线程都有一个私有的工作内存（本地内存）（local memory），本地内存中存储了该线程以读 / 写共享变量的副本。

Java内存模型里所说的主内存，和工作内存（本地内存），都是抽象的概念，真实是不存在的，要区别于CPU高速缓存和内存设备。JMM只是JVM为了屏蔽系统内存操作的差异所抽象出来的概念。

主内存和工作内存（本地内存）

Java内存模型规定了所有的变量都在主内存中，每条线程都有自己的工作内存。Java线程工作的时候，从主内存load数据到自己的工作内存中，这时工作内存就持有了主内存的一份数据拷贝。线程操作完之后，把数据重新save回主内存中。

线程安全问题

理解Java内存模型，是理解线程安全问题的基础。知道JMM有主内存和工作内存之分之后，我们就很容易的理解多个线程操作同个共享变量可能引发的数据不一致的问题。假设有如下代码：

public class Main {

    private static int a = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            new Thread(() -> {
                a = a+1;
            }).start();
        }

        Thread.sleep(3000);

        System.out.println(a);

    }

}

这里有一万个线程去操作共享数据a，如果不存在并发问题的话，“预期的结果应该是10000”。执行程序，结果：

结果一：

结果二：

结果三：

实际的结果是没法预测的，理解了上面主内存和工作内存之分之后，相信你很快能理解其中的原因。假设a等于0，同时存在两个线程对其做了++操作，这时两个工作内存的a都是1，回写到主内存的时候也是1，“相当于少了一个1了”。

总结

本文介绍了Java的内存模型，这里需要强调的一点是，Java内存模型不同于Java内存结构，不要将二者概念混淆。Java内存模型是为了解决各线程之间的通信所抽象出来的概念，Java内存结构则是Java中的数据存储形式，也就是经常提到的堆内存、栈内存等。