面试官：小伙子，能聊明白JMM给你SSP！我：嘚吧嘚吧一万字，直接征服面试官！

写在开头

面试官：小伙子，JMM了解吗？

我：JMM（Java Memory Model），Java内存模型呀，学过的！

面试官：那能给我详细的聊一聊吗，越详细越好！

我：嗯~，确定越详细越好？起码得说一万字，您有时间听完？

面试官：你要是真能说一万字全是干货的话，我当场拍板要你，给你SSP！

我：这可是您说的，瞧好吧！

为了拿到一个SSP级别的Offer，我开始疯狂运转我的大脑，将过去背的八股文与自我理解总结相结合，展开了对JMM(Java内存模型)漫长的介绍，内容有点长，同志们保持耐心看完哈。

JMM诞生的背景

在这篇文章《关于Java并发多线程的一点思考》中我们提到过Java多线程存在的问题，其中有一个关于多线程的原子性、可见性、有序性问题，当时针对这个问题我们给出过如下解释：

“在一个Java程序或者说进程运行的过程中，会涉及到CPU、内存、IO设备，这三者在读写速度上存在着巨大差异：CPU速度-优于-内存的速度-优于-IO设备的速度。

为了平衡这三者之间的速度差异，达到程序响应最大化，计算机、操作系统、编译器都做出了自己的努力。

• 计算机体系结构：给 CPU 增加了缓存，均衡 CPU 和内存的速度差异；
• 操作系统：增加了进程与线程，分时复用 CPU，均衡 CPU 和 IO 设备的速度差异；
• 编译器：增加了指令执行重排序（这个也会带来另外的问题，我们在后面的学习中会提到），更好地利用缓存，提高程序的执行速度。

这种优化是充分必要的，但这种优化同时会给多线程程序带来原子性、可见性和有序性的问题。”

为了解决以上问题Java内存模型（JMM）应运而生，当然，早期的JMM存在着很多问题，比如非常容易消弱编译器的优化能力，但从JDK5开始，提出了JSR-133（Java Memory Model and Thread Specification Revision），用以规范和修订Java内存模型与线程，我们接下来所提及的JMM都是基于新规范的。

JMM如何解决问题

对于 Java 来说，你可以把 JMM 看作是 Java 定义的并发编程相关的一组规范，除了抽象了线程和主内存之间的关系之外，其还规定了从 Java 源代码到 CPU 可执行指令的这个转化过程要遵守哪些和并发相关的原则和规范，其主要目的是为了简化多线程编程，增强程序可移植性的。

开发者们可以利用这些规范，方便安全的使用多线程，甚至于不需要在乎它底层的原理，直接使用一些关键字和类（例如：volatile、synchronized、final，各种 Lock）就可以使多线程变得安全。

深刻理解JMM

为了更深刻的理解JMM，我们需要理解几个概念：Java内存区域、CPU缓存、指令重排序

Java内存模型与Java内存区域的区别？

这个问题是很多Java初学者容易搞混淆的，也是很多面试官在面试时喜欢考察的小知识点，虽然名字很相似，但它们的区别却很大。

Java内存模型： 主要针对的是多线程环境下，如何在主内存与工作内存之间安全地执行操作，包括变量的可见性、指令重排、原子操作等，旨在解决由于多线程并发编程带来的一些问题，它是一种规范或者说约束。

原子性：一个或者多个操作在 CPU 执行的过程中不被中断的特性；

可见性：一个线程对共享变量的修改，另外一个线程能够立刻看到；

有序性：程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行；

Java内存区域： 是指Java程序在JVM上运行时所流转的区域，因此也叫"Java运行时内存区域"，主要包括以下几个部分（这里指JDK1.7,在1.8后方法区被元空间替代，在后面的JVM学习中会详细讲述）：

1. 方法区：存储了每一个类的结构信息，如运行时常量池、字段和方法数据、构造方法和普通方法的字节码内容。
2. 堆：几乎所有的对象实例以及数组都在这里分配内存。这是 Java 内存管理的主要区域。
3. 栈：每一个线程有一个私有的栈，每一次方法调用都会创建一个新的栈帧，用于存储局部变量、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。所有的栈帧都是在方法调用和方法执行完成之后创建和销毁的。
4. 本地方法栈：与栈类似，不过本地方法栈为 JVM 使用到的 native 方法服务。
5. 程序计数器：每个线程都有一个独立的程序计数器，用于指示当前线程执行到了字节码的哪一行。
   
   

CPU缓存

在上文中我们提到过CPU、内存、IO设备，这三者在读写速度存在差异，而CPU 缓存就是为了解决 CPU 处理速度和内存处理速度不对等的问题。

如上图为一个4核CPU的缓存架构图，在CPU缓存中一般分为3级，越靠近CPU的缓存，速度越快，价格越高，L1与L2为CPU私有，L3为多CPU共用缓存。

CPU缓存的工作方式：先将数据复制到CPU缓存中，查询时一级级向下查找，一旦找到结果就返回，不再向下遍历，若三级缓存都没查到，才会去主存（内存）中去查，然后开始运算，并将运算结果写回主存中，这时若发生多线程同时读写的话，就会存在可见性（内存缓存不一致）问题，我们写个小demo模拟一下。

【代码示例1】

public class Test {
    //是否停止 变量
    private static boolean stop = false;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //启动线程 1，当 stop 为 true，结束循环
        new Thread(() -> {
            System.out.println("线程 1 正在运行...");
            while (!stop) ;
            System.out.println("线程 1 终止");
        }).start();
        //休眠 1 秒
        Thread.sleep(1000);
        //启动线程 2， 设置 stop = true
        new Thread(() -> {
            System.out.println("线程 2 正在运行...");
            stop = true;
            System.out.println("设置 stop 变量为 true.");
        }).start();
    }
}

输出：

线程 1 正在运行...
线程 2 正在运行...
设置 stop 变量为 true.

原因：

我们会发现，线程1运行起来后，休眠1秒，启动线程2，可即便线程2把stop设置为true了，线程1仍然没有停止，这个就是因为 CPU 缓存导致的可见性导致的问题。线程 2 设置 stop 变量为 true，线程 1 在 CPU 1上执行，读取的 CPU 1 缓存中的 stop 变量仍然为 false，线程 1 一直在循环执行。

解决办法：

JMM告诉我们可以通过 volatile、synchronized、Lock接口、Atomic 类型保障可见性；还有一种就是在缓存与主存之间增加缓存一致性协议，如MSI,MESI等协议，协议包括CPU 高速缓存与主内存交互的时候需要遵守的原则和规范！

这个协议今天就不展开了，后面找时间再单独更新一篇，毕竟在把它整出来，面试官没耐心听下去了。

指令重排序

啥是指令重排序呢？我们在给出概念之前，先举个小例子

a = b + c;
d = e - f ;

现在有一个求和与一个求差操作，理论上，我们按照顺序执行的话，代码需要先将b、c加载进来，然后执行add(b,c)进行求和，然后在加载e、f，再执行sub(e,f)进行求差，但这样会有个问题，不管是求和还是求差，都需要等参数装载完成才能进行，这样的话，后续的操作均会停顿，对于高速运行的CPU来说，停顿意味着浪费，意味着低性能。

那么我们可以在执行顺序上进行优化，在加载b、c时将e、f加载进来，这样后面的求和求差就减少了停顿时间，提升了效率，而这，就是指令重排序的意思所在！

因此，我们结合这个小例子给出指令重排序的概念：为了充分利用资源，提升程序运行的速度。

指令重排一般分为以下三种：

• 编译器优化重排：编译器在不改变单线程程序语义的前提下，重新安排语句的执行顺序。
• 指令并行重排：现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性(即后一个执行的语句无需依赖前面执行的语句的结果)，处理器可以改变语句对应的机器指令的执行顺序。
• 内存系统重排：由于处理器使用缓存和读写缓存冲区，这使得加载(load)和存储(store)操作看上去可能是在乱序执行，因为三级缓存的存在，导致内存与缓存的数据同步存在时间差。

Java 源代码会经历 编译器优化重排 —> 指令并行重排 —> 内存系统重排 的过程，最终才变成操作系统可执行的指令序列。在单线程串行下，指令重排序能够保证语义一致性，但在多线程下就会出现意想不到的问题，我们同样写个小demo去复现一下。

【代码示例2】

public class Test {

    static int x;//静态变量 x
    static int y;//静态变量 y

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Set<String> valueSet = new HashSet<String>();//记录出现的结果的情况
        Map<String, Integer> valueMap = new HashMap<String, Integer>();//存储结果的键值对

        //循环 1万次，记录可能出现的 v1 和 v2 的情况
        for (int i = 0; i <10000; i++) {
            //给 x y 赋值为 0
            x = 0;
            y = 0;
            valueMap.clear();//清除之前记录的键值对
            Thread t1 = new Thread(() -> {
                int v1 = y;//将 y 赋值给 v1 ----> Step1
                x = 1;//设置 x 为 1  ----> Step2
                valueMap.put("v1", v1);//v1 值存入 valueMap 中  ----> Step3
            }) ;

            Thread t2 = new Thread(() -> {
                int v2 = x;//将 x 赋值给 v2  ----> Step4
                y = 1;//设置 y 为 1  ----> Step5
                valueMap.put("v2", v2);//v2 值存入 valueMap 中  ----> Step6
            });

            //启动线程 t1 t2
            t1.start();
            t2.start();
            //等待线程 t1 t2 执行完成
            t1.join();
            t2.join();

            //利用 Set 记录并打印 v1 和 v2 可能出现的不同结果
            valueSet.add("(v1=" + valueMap.get("v1") + ",v2=" + valueMap.get("v2") + ")");
            System.out.println(valueSet);
        }
    }
}

输出：

...
[(v1=1,v2=0), (v1=0,v2=0), (v1=0,v2=1)]
[(v1=1,v2=0), (v1=0,v2=0), (v1=0,v2=1)]
[(v1=1,v2=0), (v1=0,v2=0), (v1=0,v2=1)]
[(v1=1,v2=0), (v1=0,v2=0), (v1=0,v2=1)]
...

v1=0,v2=0 的执行顺序是 Step1 和 Step 4 先执行

v1=1,v2=0 的执行顺序是 Step5 先于 Step1 执行

v1=0,v2=1 的执行顺序是 Step2 先于 Step4 执行

v1=1,v2=1 出现的概率极低，就是因为 CPU 指令重排序造成的。Step2 被优化到 Step1 前，Step5 被优化到 Step4 前，至少需要成立一个。

解决办法：

在 Java 中，volatile 关键字可以禁止指令进行重排序优化。Happens-Before同样也可以，接下来，我们就走进JMM的世界，是探索Happens-Before的奥秘！

JMM & Happens-Before

在JSR-133（新版Java内存模型）中，定义了Happens-Before（先行发生）原则，用于保证程序在执行过程中的可见性和有序性。

那么它具体的编程思想是什么呢？简单两句话就可以概括！

1. 为了性能最大化，在不改变程序执行结果的前提下，对编译器和处理器的约束越少越好，在这个维度上他们可以任意重排序；
2. 对于会改变程序执行结果的重排序，JMM 要求编译器和处理器必须禁止这种重排序。

在之前推荐阅读《Java并发编程的艺术》这本书中，有这样的一个示意图，个人感觉非常形象！

在JMM中对Happens-Before规则进行了定义，我们还是先用一张图（同样是上图的书籍中示意图）展开描述。

所谓的排序规则是指 ① 如果一个操作 happens-before 另一个操作，那么第一个操作的执行结果将对第二个操作可见，而且第一个操作的执行顺序排在第二个操作之前；② 两个操作之间存在 happens-before 关系，并不意味着 Java 平台的具体实现必须要按照 happens-before 关系指定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果，与按 happens-before 关系来执行的结果一致，那么 JMM 也允许这样的重排序。

知识点补充：happens-before 重要规则

1、程序顺序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作 happens-before 于书写在后面的操作；

2、监视器锁规则：对一个锁的解锁，happens-before 于随后对这个锁的加锁。

3、volatile 变量规则：对一个 volatile 变量的写操作 happens-before 于后面对这个 volatile 变量的读操作。说白了就是对 volatile 变量的写操作的结果对于发生于其后的任何操作都是可见的。

4、传递规则：如果 A happens-before B，且 B happens-before C，那么 A happens-before C；

5、start 规则：如果线程 A 执行操作 ThreadB.start()启动线程 B，那么 A 线程的 ThreadB.start()操作 happens-before 于线程 B 中的任意操作。

6、join 规则：如果线程 A 执行操作 ThreadB.join()并成功返回，那么线程 B 中的任意操作 happens-before 于线程 A 从 ThreadB.join()操作成功返回。

总结

Java内存模型讲到这里，也就差不多讲完了，其实中间还有缓存一致性协议、JSR-133文档 、volatile等关键字可以展开说一说，但那样篇幅太长，而且内容多乏味，就一笔带过了，感兴趣的小伙伴自己去网上搜一些博文看看吧。

结尾彩蛋

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