从多核硬件架构，看Java内存模型

怼烎@ 2022-05-14 04:19 198阅读 0赞

在了解Java内存模型之前，先来看一下多核硬件架构。

我们应该都知道，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，又免不了要和数据打交道。而计算机上面的数据，是存放在主存当中的，也就是计算机的物理内存啦。

刚开始，还相安无事的，但是随着CPU技术的发展，CPU的执行速度越来越快。而由于内存的技术并没有太大的变化，所以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,这就导致CPU每次操作内存都要耗费很多等待时间。

所以，人们想出来了一个好的办法，就是在CPU和内存之间增加高速缓存。缓存的概念大家都知道，就是保存一份数据拷贝。他的特点是速度快，内存小，并且昂贵。

再随着市场对CPU计算能力的需要，于是出现了多核CPU，每个核都有各自的缓存。下图简单描述了多核硬件架构的实现。

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现代计算机硬件，几乎都是多核处理器实现。打开Windows的任务管理器，可以核心数，还可以看到处理器的缓存。如下图红框：

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可以清晰的看到L1、L2、L3三级缓存。

### 计算机内部的缓存架构(CPU三级缓存) ###

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缓存大大缩小了高速CPU与低速内存之间的差距。以三层缓存架构为例：

*  L1 Cache最接近CPU, 容量最小（如32K、64K、256K等）、速度最高，每个核上都有一个L1 Cache。
 *  L2 Cache容量更大（如256K）、速度更低, 一般情况下，每个核上都有一个独立的L2 Cache。
 *  L3 Cache最接近内存，容量最大（如12MB），速度最低，在同一个CPU插槽之间的核共享一个L3 Cache。

单核时代只有一个处理器核心，读/写操作完全都是由单核完成，没什么问题；但是多核架构，一个核修改主存后，其他核心并不知道数据已经失效，继续傻傻的使用，轻则数据计算错误，重则导致死循环、程序崩溃等。

### 缓存一致性协议 ###

多核CPU硬件架构厂商，设计之初就预测到多线程操作数据不一致的问题，因此出现了——缓存一致性协议。

不同的CPU硬件生产厂商，具体的实现不一样。Intel的MESI协议最出名。  
MESI协议文档：[https://en.wikipedia.org/wiki/MESI\_protocol][https_en.wikipedia.org_wiki_MESI_protocol]

在MESI协议中，每个Cache line有4个状态，可用2个bit表示，它们分别是：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>状态</th> 
   <th>描述</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>M(Modified)</td> 
   <td>这行数据有效，数据被修改了，和内存中的数据不一致，数据只存在于本Cache中。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>E(Exclusive)</td> 
   <td>这行数据有效，数据和内存中的数据一致，数据只存在于本Cache中。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>S(Shared)</td> 
   <td>这行数据有效，数据和内存中的数据一致，数据存在于很多Cache中。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>I(Invalid)</td> 
   <td>这行数据无效。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

在MESI协议中，每个Cache的Cache控制器不仅知道自己的读写操作，而且也监听(snoop)其它Cache的读写操作。每个Cache line所处的状态根据本核和其它核的读写操作在4个状态间进行迁移，如下图：

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AMD的Opteron处理器使用从MESI中演化出的MOESI协议，O(Owned)是MESI中S和M的一个合体，表示本Cache line被修改，和内存中的数据不一致，不过其它的核可以有这份数据的拷贝，状态为S。

Intel的core i7处理器使用从MESI中演化出的MESIF协议，F(Forward)从Share中演化而来，一个Cache line如果是Forward状态，它可以把数据直接传给其它内核的Cache，而Share则不能。

**用下面的简图，简单说明下MESI如何在多核环境，确保缓存一致性的。**

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两个CPU执行两个线程，都执行count++，都先从主内存获取count=0，都将count=0从主存拷贝到各自的缓存区，且在缓存区count=0的状态为S(Shared，多线程共享状态)。

一个线程(左边的线程)先执行了修改count+=1，按MESI缓存协议规范，在该线程中count是M状态(即：已被修改)，则其他拥有count变量的线程，count状态都变为(I)失效状态，即需要再去主内存拿新值。

可见，缓存一致性协议解决了多核硬件架构的一致性问题。那缓存一致性又和JMM有什么关系呢？

JMM也是遵照多核硬件架构的设计，用Java实现了一套JVM层面的“缓存一致性”。  
如果开发者运用的得当，最终可以达到Java线程间：变量可见性、有序性、原子性。

**有了MESI，为什么还需要JMM？**

既然有了MESI协议，是不是就不需要volatile的可见性语义了？当然不是，还有以下问题：

*  并不是所有的硬件架构都提供了相同的一致性保证，不同的硬件厂商实现不同，JVM需要volatile统一语义。
 *  可见性问题不仅仅局限于CPU缓存内，JVM自己维护的内存模型(JMM)中也有可见性问题。使用volatile做标记，可以解决JVM层面的可见性问题。

## Java内存模型JMM ##

Java内存模型(Java Memory Model，简称JMM)，本身是种抽象的概念，并不是像硬件架构一样真实存在的；它描述的是一组规则或规范，通过这组规范定义了程序中各个变量(`包括实例字段、静态字段和构成数组对象的元素`)的访问方式。

由于JVM运行程序的实体是线程，而每个线程创建时，JVM都会为其创建一个工作内存(有些地方称为栈空间)，用于存储线程私有数据，而Java内存模型中规定所有变量都存储在**主内存**，主内存时关系内存区域，所有线程都可以访问，但线程对变量的操作(读取赋值等)必须在工作内存中进行，首先要将变量从主内存拷贝到自己的工作内存空间，然后对变量进行操作，操作完后再将变量写回主内存，不能直接操作主内存中的变量。

工作内存是每个线程的私有数据区域，因此不同线程间无法访问对方的工作内存，线程间的通信(传值)必须通过主内存来完成。如下图所示：

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## ##

### 内存模型JMM与Java运行时数据区的关系 ###

Java虚拟机的运行时数据区被划分为：方法区、Java堆、Java虚拟机栈、PC寄存器、本地方法栈，还有常量池。它们被分为两大类——线程共享和线程私有数据区。

线程共享数据区，包括：Java堆、方法区、常量池。它们会随着虚拟机启动而创建，随着虚拟机退出而销毁。

线程私有数据区，包括：PC寄存器、JVM栈、本地方法区。它们是与线程一一对应的，这些与线程对应的数据区域会随着线程开始和结束而创建和销毁。详细了解可阅读：[JVM体系结构-----深入理解内存结构][JVM_-----]

本质上来说，内存模型JMM和Java运行时数据区没有任何关系，它们是两个不同纬度的东西。

但如果硬要扯上关系的话，可以把Java运行时数据区的JVM栈 看作是内存模型中的"工作内存"，因为按Java运行时数据区对内存的划分，符合线程私有性质、且存储本地变量的存储区域，只有线程私有的栈空间。

## ##

### JMM主内存与工作内存的数据存储类型以及操作方式 ###

根据虚拟机规范，对于一个实例对象中的成员方法而言

1、如果方法中包含本地变量是基本数据类型，将直接存储在工作内存(栈)中；

2、但如果本地变量是引用类型，那么该变量的引用会存储在工作内存的栈中，而对象的实例将存储在主内存(堆)中。但对于实例对象的成员变量，不管它是基本数据类型或者包装类型(Integer、Double等)还是引用类型，都会被存储到堆区。

3、至于static变量以及类自身相关信息将会存储在主内存中。

需要注意的是，在主内存中的实例对象可以被多线程共享，如果两个线程同时调用了同一个对象的同一个方法，那么两个线程会将 要操作的数据拷贝一份到自己的工作内存中，执行完成后才刷新到主内存，如下图所示：

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### Java内存模型 与 硬件内存架构的关系 ###

对于硬件架构来说，只有寄存器、缓存、主内存的概念，并没有工作内存(线程私有数据区)和主内存(堆内存)之分，也就是说Java内存模型对内存的划分对硬件内存并没有任何影响，因为JMM是一种抽象的概念，是一组规则，并不实际存在，不管是工作内存的数据还是主内存的数据，对于计算机硬件来说都会存储在计算机主内存中，当然也有可能存储到CPU缓存或者寄存器中，因此总体上，Java内存模型和硬件内存架构师一个相互交叉的关系，是一种抽象概念划分与真实物理硬件的交叉。（注意对于Java内存区域划分也是同样的道理）

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小结：

1、硬件架构的缓存一致性协议(如MESI)，解决了多核硬件的一致性问题。  
JMM也是遵照多核硬件架构的设计，用Java实现了一套JVM层面的“缓存一致性”。  
如果开发者运用的得当，最终可以达到Java线程间：内存可见性、有序性、原子性。  
2、JMM不像硬件架构，不是实实在在存在的，JMM是理论基础。但JMM最终还是要落到硬件架构上去运行。

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存档文章

*  [终于有人把Java内存模型(JMM)说清楚了][Java_JMM]
 *  [JVM体系结构-----深入理解内存结构][JVM_-----]

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[https_en.wikipedia.org_wiki_MESI_protocol]: https://en.wikipedia.org/wiki/MESI_protocol
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[JVM_-----]: http://blog.csdn.net/ljheee/article/details/52226368
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[Java_JMM]: https://www.jianshu.com/p/8420ade6ff76