每日一句
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前体概要
CPU和内存之间同样存在一致性问题。很多人认为CPU是一个计算组件，并没有数据一致性的问题。但事实上，由于内存的发展速度跟不上CPU的更新，在CPU和内存之间，存在着多层的高速缓存。
原因就是由于多核所引起的，这些高速缓存，往往会有多层。如果一个线程的时间片跨越了多个CPU，那么同样存在同步的问题。
import java.util.stream.IntStream;
public class JMMDemo {
int value = 0;
void add() {
value++;
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
final int count = 100000;
final JMMDemo demo = new JMMDemo();
Thread t1 = new Thread(() -> IntStream.range(0, count).forEach((i) -> demo.add()));
Thread t2 = new Thread(() -> IntStream.range(0, count).forEach((i) -> demo.add()));
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println(demo.value);
复制代码void add();
descriptor: ()V
flags:
Code:
stack=3, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: dup
2: getfield #2 // Field value:I
5: iconst_1
6: iadd
7: putfield #2 // Field value:I
10: return
LineNumberTable:
line 7: 0
line 8: 10
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 11 0 this LJMMDemo;
复制代码另外，在执行过程中，CPU 可能也会对输入的代码进行乱序执行优化，Java 虚拟机的即时编译器也有类似的指令重排序优化,缓存内存机制的优化。整个函数的执行步骤就分的更加细致，看起来非常的碎片化（比字节码指令要细很多）,不管是字节码的原因，还是硬件的原因，在粗粒度上简化来看，比较浅显且明显的因素，那就是线程 add 方法的操作并不是原子性的。
为了解决这个问题，我们可以在add方法上添加synchronized关键字，它不仅保证了内存上的同步，而且还保证了CPU的同步。这个时候，各个线程只能排队进入add方法。
synchronized void add() {
value++;
}
复制代码
着重看一下 add 方法，可以看到一个简单的 i++ 操作，竟然有这么多的字节码，而它们都是傻乎乎按照“顺序执行”的。当它自己执行的时候不会有什么问题，但是如果放在多线程环境中，执行顺序就变得不可预料了。
由上图可以看出来CPU私有人Cache只有L1和L2，L3和L4（新版支持），都属于公用的。
问题分析
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1.（可见性问题+原子性问题）上图展示了这个乱序的过程。线程 A 和线程 B “并发”执行相同的代码块 add，执行的顺序如图中的标号，它们在线程中是有序的（1、2、5 或者 3、4、6），但整体顺序是不可预测的。
-
2.（可见性问题）线程 A 和 B 各自执行了一次加 1 操作，但在这种场景中，线程 B 的 putfield 指令直接覆盖了线程 A 的值，最终 value 的结果是 101。
-
3.(可见性问题)上面的示例仅仅是字节码层面上的，更加复杂的是，CPU 和内存之间同样存在一致性问题。很多人认为 CPU 是一个计算组件，并没有数据一致性的问题。但事实上，由于内存的发展速度跟不上CPU的更新，在CPU和内存之间，存在着多层的高速缓存，原因就是由于多核所引起的，这些高速缓存，往往会有多层。如果一个线程的时间片跨越了多个 CPU，那么同样存在同步的问题。
-
4.(有序性问题)另外，在执行过程中，CPU 可能也会对输入的代码进行乱序执行优化，Java 虚拟机的即时编译器也有类似的指令重排序优化。整个函数的执行步骤就分的更加细致，看起来非常的碎片化（比字节码指令要细很多）。
并发场景
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单线程：CPU 核心的缓存只被一个线程访问。缓存独占，不会出现访问冲突等问题。
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单核 CPU，多线程：进程中的多个线程会同时访问进程中的共享数据，CPU 将某块内存加载到缓存后，不同线程在访问相同的物理地址的时候，都会映射到相同的缓存位置，这样即使发生线程的切换，缓存仍然不会失效。
-
多核 CPU，多线程：每个核都至少有一个 L1 缓存 和 L2 缓存 。 多个线程访问进程中的某个共享内存，且这多个线程分别在不同的核心上执行，则每个核心都会在各自的Cache中保留一份共享内存的缓冲，由于多核是可以并行的，可能会出现多个线程同时写各自的缓存的情况，而各自的 Cache 之间的数据就有可能不同。
另一种情况（缺乏标准化和统一化）
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在不同的硬件生产商和不同的操作系统下，内存的访问逻辑有一定的差异，结果就是当你的代码在某个系统环境下运行良好，并且线程安全，换了个系统就出现各种问题；
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这是因为不同的处理器，在处理器优化和指令重排等方面存在差异，造成同样的代码，在经过不同的处理器优化和指令重排后，最后执行出来的结果可能不同，这是我们所不能接受的。
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JMM就应运而生了，究其根本就是为了解决在并发环境下，保证数据的安全，满足场景的可见性、原子性、有序性。
基本概念
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JMM是一个抽象的概念，它描述了一系列的规则或者规范，用来解决多线程的共享变量问题，比如 volatile、synchronized 等关键字就是围绕 JMM 的语法。这里所说的变量，包括实例字段、静态字段，但不包括局部变量和方法参数，因为后者是线程私有的，不存在竞争问题。
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JMM试图定义一种统一的内存模型，能将各种底层硬件，以及操作系统的内存访问差异进行封装，使Java程序在不同硬件及操作系统上都能达到相同的并发效果。
JMM规定了共享变量都存储在主内存中，每条线程还有自己的工作内存，线程的工作内存保存了主内存的副本拷贝，对变量的操作在工作内存中进行，不能直接操作主内存中的变量。不同线程间无法直接访问对方的工作内存变量，需要通过主内存完成。
JMM的结构
JMM分为主存储器（Main Memory）和工作存储器（Working Memory）两种。
- 主存储器是实例位置所在的区域，所有的实例都存在于主存储器内。比如，实例所拥有的字段即位于主存储器内，主存储器是所有的线程所共享的。
- 工作存储器是线程所拥有的作业区，每个线程都有其专用的工作存储器。工作存储器存有主存储器中必要部分的拷贝，称之为工作拷贝（Working Copy）。
在这个模型中，线程无法对主存储器直接进行操作。如下图，线程A想要和线程B通信，只能通过主存进行交换。
- 这些内存区域都是在哪存储的呢？如果非要有个对应的话，你可以认为主存中的内容是Java堆中的对象，而工作内存对应的是虚拟机栈中的内容。
- 但实际上，主内存也可能存在于高速缓存，或者CPU的寄存器上；工作内存也可能存在于硬件内存中，我们不用太纠结具体的存储位置。
8个操作类型
支持JMM，Java定义8种原子操作，用来控制主存与工作内存之间的交互。
（1）read（读取）作用于主内存，它把变量从主内存传动到线程的工作内存中，供后面的 load 动作使用。
（2）load（载入）作用于工作内存，它把read操作的值放入到工作内存中的变量副本中。
（3）store（存储）作用于工作内存，它把工作内存中的一个变量传送给主内存中，以备随后的write操作使用。
（4）write （写入）作用于主内存，它把store传送值放到主内存中的变量中。
（5）use（使用）作用于工作内存，它把工作内存中的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用这个变量的指令时，将会执行这个动作。
（6）assign（赋值）作用于工作内存，它把从执行引擎获取的值赋值给工作内存中的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的指令时，执行该操作。
（7）lock（锁定）作用于主内存，把变量标记为线程独占状态。
（8）unlock（解锁）作用于主内存，它将释放独占状态。
如上图所示，把一个变量从主内存复制到工作内存，就要顺序执行read 和 load；而把变量从工作内存同步回主内存，就要顺序执行 store 和 write 操作。
三大特征
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（1）原子性
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JMM 保证了 read、load、assign、use、store 和 write 六个操作具有原子性，可以认为除了long 和 double 类型以外，对其他基本数据类型所对应的内存单元的访问读写都是原子的。
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如果想要颗粒度更大的原子性保证，就可以使用lock和 unlock 这两个操作。
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（2）可见性
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可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程也能立即感知到这种变化前面的图中可以看到，要保证这种效果，需要经历多次操作。一个线程对变量的修改，需要先同步给主内存，在另外一个线程的读取之前刷新变量值。
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volatile、synchronized、final和锁，都是保证可见性的方式。
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这里要着重提一下volatile，因为它的特点最显著。使用了 volatile 关键字的变量，每当变量的值有变动时，都会把更改立即同步到主内存中；**而如果某个线程想要使用这个变量，则先要从主存中刷新到工作内存上(store)，这样就确保了变量的可见性(load)。（可见性+有序性）
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而锁和同步关键字就比较好理解一些，它是把更多个操作强制转化为原子化的过程。由于只有一把锁，变量的可见性就更容易保证。（原子操作）
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（3）有序性
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Java程序很有意思，从上面的 add 操作可以看出，如果在线程中观察，则所有的操作都是有序的；而如果在另一个线程中观察，则所有的操作都是无序的。
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除了多线程这种无序性的观测，无序的产生还来源于指令重排。
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指令重排序是 JVM 为了优化指令，来提高程序运行效率的，在不影响单线程程序执行结果的前提下，按照一定的规则进行指令优化。在某些情况下，这种优化会带来一些执行的逻辑问题，在并发执行的情况下，按照不同的逻辑会得到不同的结果。
-
我们可以看一下 Java 语言中默认的一些“有序”行为，也就是先行发生（happens-before）原则，这些可能在写代码的时候没有感知，因为它是一种默认行为。
-
先行发生是一个非常重要的概念，如果操作 A 先行发生于操作 B，那么操作 A 产生的影响能够被操作 B 感知到。
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- 程序次序：一个线程内，按照代码顺序，写在前面的操作先行发生于写在后面的操作。
- 监视器锁定：unLock 操作先行发生于后面对同一个锁的 lock 操作。
- volatile：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作。
- 传递规则：如果操作 A 先行发生于操作 B，而操作 B 又先行发生于操作 C，则可以- 得出操作 A 先行发生于操作 C。
- 线程启动：对线程 start() 的操作先行发生于线程内的任何操作。
- 线程中断：对线程 interrupt() 的调用先行发生于线程代码中检测到中断事件的发生，可以通过 Thread.interrupted() 方法检测是否发生中断。
- 线程终结规则：线程中的所有操作先行发生于检测到线程终止，可以通过 Thread.join()、Thread.isAlive() 的返回值检测线程是否已经终止。
- 对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于它的 finalize() 方法的开始。
内存屏障
那我们上面提到这么多规则和特性，是靠什么保证的呢？
内存屏障（Memory Barrier）用于控制在特定条件下的重排序和内存可见性问题。
JMM内存屏障可分为读屏障和写屏障，Java 的内存屏障实际上也是上述两种的组合，完成一系列的屏障和数据同步功能。Java 编译器在生成字节码时，会在执行指令序列的适当位置插入内存屏障来限制处理器的重排序。
下面介绍一下这些组合。
-
Load-Load Barriers : 保证 load1 数据的装载优先于 load2 以及所有后续装载指令的装载。对于 Load Barrier 来说，在指令前插入 Load Barrier，可以让高速缓存中的数据失效，强制重新从主内存加载数据。
- load1
- LoadLoad
- load2
-
Load-Store Barriers：保证load1数据装载优先于store2以及后续的存储指令刷新到内存。
- load1
- LoadStore
- store2
-
Store-Store Barriers：保证 store1 数据对其他处理器可见，优先于 store2 以及所有后续存储指令的存储。对于 Store Barrier 来说，在指令后插入 Store Barrier，能让写入缓存中的最新数据更新写入主内存，让其他线程可见。
- store1
- StoreStore
- store
-
Store-Load Barriers：在Load2及后续所有读取操作执行前，保证 Store1 的写入对所有处理器可见。这条内存屏障指令是一个全能型的屏障，它同时具有其他 3 条屏障的效果，而且它的开销也是四种屏障中最大的一个。
- store1
- StoreLoad
- load2
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