GitHub 1.8k Star 的 Java工程师成神之路 ，不来了解一下吗?

GitHub 1.8k Star 的 Java工程师成神之路 ，真的不来了解一下吗?

GitHub 1.8k Star 的 Java工程师成神之路 ，真的确定不来了解一下吗?

前几天，发了一篇文章，介绍了一下 JVM内存结构、Java内存模型以及Java对象模型之间的区别 。有很多小伙伴反馈希望可以深入的讲解下每个知识点。Java内存模型，是这三个知识点当中最晦涩难懂的一个，而且涉及到很多背景知识和相关知识。

网上有很多关于Java内存模型的文章，在《深入理解Java虚拟机》和《Java并发编程的艺术》等书中也都有关于这个知识点的介绍。但是，很多人读完之后还是搞不清楚，甚至有的人说自己更懵了。本文，就来整体的介绍一下Java内存模型，目的很简单，让你读完本文以后，就知道到底Java内存模型是什么，为什么要有Java内存模型，Java内存模型解决了什么问题等。

本文中，有很多定义和说法，都是笔者自己理解后定义出来的。希望能够让读者可以对Java内存模型有更加清晰的认识。当然，如有偏颇，欢迎指正。

为什么要有内存模型

在介绍Java内存模型之前，先来看一下到底什么是计算机内存模型，然后再来看Java内存模型在计算机内存模型的基础上做了哪些事情。要说计算机的内存模型，就要说一下一段古老的历史，看一下为什么要有内存模型。

内存模型，英文名Memory Model，他是一个很老的老古董了。他是与计算机硬件有关的一个概念。那么我先给你介绍下他和硬件到底有啥关系。

CPU和缓存一致性

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。

这就像一家创业公司，刚开始，创始人和员工之间工作关系其乐融融，但是随着创始人的能力和野心越来越大，逐渐和员工之间出现了差距，普通员工原来越跟不上CEO的脚步。老板的每一个命令，传到到基层员工之后，由于基层员工的理解能力、执行能力的欠缺，就会耗费很多时间。这也就无形中拖慢了整家公司的工作效率。

可是，不能因为内存的读写速度慢，就不发展CPU技术了吧，总不能让内存成为计算机处理的瓶颈吧。

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。

那么，程序的执行过程就变成了：

当程序在运行过程中，会将运算需要的数据从主存复制一份到CPU的高速缓存当中，那么CPU进行计算时就可以直接从它的高速缓存读取数据和向其中写入数据，当运算结束之后，再将高速缓存中的数据刷新到主存当中。

之后，这家公司开始设立中层管理人员，管理人员直接归CEO领导，领导有什么指示，直接告诉管理人员，然后就可以去做自己的事情了。管理人员负责去协调底层员工的工作。因为管理人员是了解手下的人员以及自己负责的事情的。所以，大多数时候，公司的各种决策，通知等，CEO只要和管理人员之间沟通就够了。

而随着CPU能力的不断提升，一层缓存就慢慢的无法满足要求了，就逐渐的衍生出多级缓存。

按照数据读取顺序和与CPU结合的紧密程度，CPU缓存可以分为一级缓存（L1），二级缓存（L3），部分高端CPU还具有三级缓存（L3），每一级缓存中所储存的全部数据都是下一级缓存的一部分。

这三种缓存的技术难度和制造成本是相对递减的，所以其容量也是相对递增的。

那么，在有了多级缓存之后，程序的执行就变成了：

当CPU要读取一个数据时，首先从一级缓存中查找，如果没有找到再从二级缓存中查找，如果还是没有就从三级缓存或内存中查找。

随着公司越来越大，老板要管的事情越来越多，公司的管理部门开始改革，开始出现高层，中层，底层等管理者。一级一级之间逐层管理。

单核CPU只含有一套L1，L2，L3缓存；如果CPU含有多个核心，即多核CPU，则每个核心都含有一套L1（甚至和L2）缓存，而共享L3（或者和L2）缓存。

公司也分很多种，有些公司只有一个大Boss，他一个人说了算。但是有些公司有比如联席总经理、合伙人等机制。

单核CPU就像一家公司只有一个老板，所有命令都来自于他，那么就只需要一套管理班底就够了。

多核CPU就像一家公司是由多个合伙人共同创办的，那么，就需要给每个合伙人都设立一套供自己直接领导的高层管理人员，多个合伙人共享使用的是公司的底层员工。

还有的公司，不断壮大，开始差分出各个子公司。各个子公司就是多个CPU了，互相之前没有共用的资源。互不影响。

下图为一个单CPU双核的缓存结构。

随着计算机能力不断提升，开始支持多线程。那么问题就来了。我们分别来分析下单线程、多线程在单核CPU、多核CPU中的影响。

**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。

**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。但由于任何时刻只能有一个线程在执行，因此不会出现缓存访问冲突。

**多核CPU，多线程。**每个核都至少有一个L1 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caehe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。

在CPU和主存之间增加缓存，在多线程场景下就可能存在 缓存一致性问题 ，也就是说，在多核CPU中，每个核的自己的缓存中，关于同一个数据的缓存内容可能不一致。

如果这家公司的命令都是串行下发的话，那么就没有任何问题。

如果这家公司的命令都是并行下发的话，并且这些命令都是由同一个CEO下发的，这种机制是也没有什么问题。因为他的命令执行者只有一套管理体系。

如果这家公司的命令都是并行下发的话，并且这些命令是由多个合伙人下发的，这就有问题了。因为每个合伙人只会把命令下达给自己直属的管理人员，而多个管理人员管理的底层员工可能是公用的。

比如，合伙人1要辞退员工a，合伙人2要给员工a升职，升职后的话他再被辞退需要多个合伙人开会决议。两个合伙人分别把命令下发给了自己的管理人员。合伙人1命令下达后，管理人员a在辞退了员工后，他就知道这个员工被开除了。而合伙人2的管理人员2这时候在没得到消息之前，还认为员工a是在职的，他就欣然的接收了合伙人给他的升职a的命令。

处理器优化和指令重排

上面提到在在CPU和主存之间增加缓存，在多线程场景下会存在 缓存一致性问题 。除了这种情况，还有一种硬件问题也比较重要。那就是为了使处理器内部的运算单元能够尽量的被充分利用，处理器可能会对输入代码进行乱序执行处理。这就是 处理器优化 。