JMM（Java内存模型）是什么？为什么使用并发？

2019-08-16 11:07:16来源：博客园阅读 ()

JMM（Java内存模型）是什么？为什么使用并发？

1、计算机

　　首先我们需要讲解下计算机的模型：现代计算机模型是基于-冯诺依曼计算机模型

　　我们不用管输入和输出设备，最主要的就是中间计算器和存储器之间的交互，也就是CPU与主内存之间取数、存数。

　　大家会看到有一个IO总线在进行数据的流通，所以CPU与此磁盘的交互也会通过IO总线，但是IO总线上有其他的一些数据在流通，比如显示器、鼠标键盘等，并且现在的CPU计算速度普遍在GHz，但是我们的内存输出的却是MB，这大大影响了CPU，因为每次取数都要经过IO中线，难免会影响IO，所以CPU有了三级缓存，L1、L2、L3，缓存存储些指令集什么的。如下图：

CPU读取存储器数据过程　　CPU要取寄存器XX的值，只需要一步：直接读取。　　CPU要取L1 cache的某个值，需要1-3步（或者更多）：把cache行锁住，把某个数据拿来，解锁，如果没锁住就慢了。　　CPU要取L2 cache的某个值，先要到L1 cache里取，L1当中不存在，在L2里，L2开始加锁，加锁以后，把L2里的数据复制到L1，再执行读L1的过程，上面的3步，再解锁。　　CPU取L3 cache的也是一样，只不过先由L3复制到L2，从L2复制到L1，从L1到CPU。　　CPU取内存则最复杂：通知内存控制器占用总线带宽，通知内存加锁，发起内存读请求，等待回应，回应数据保存到L3（如果没有就到L2），再从L3/2到L1，再从L1到CPU之后解除总线锁定。　　缓存一致性问题：当有多个处理器的时候，如何保证CPU1与CPU2之间的数据是一致的，为了保证数据性一致，需要在访问缓存的同时，遵循一些协议如MESI，最后以谁的缓存为最后结果。

2、什么是线程

　　现代操作系统在运行一个程序时，会为其创建一个进程。例如，启动一个Java程序，操作系统就会创建一个Java进程。现代操作系统调度CPU的最小单元是线程，也叫轻量级进程（Light Weight Process），在一个进程里可以创建多个线程，这些线程都拥有各自的计数器、堆栈和局部变量等属性，并且能够访问共享的内存变量。处理器在这些线程上高速切换，让使用者感觉到这些线程在同时执行。线程的实现可以分为两类：　　1、用户级线程(User-Level Thread) 　　2、内核线线程(Kernel-Level Thread)

　　用户线程：指不需要内核支持而在用户程序中实现的线程，其不依赖于操作系统核心，应用进程利用线程库提供创建、同步、调度和管理线程的函数来控制用户线程。另外，用户线程是由应用进程利用线程库创建和管理，不依赖于操作系统核心。不需要用户态/核心态切换，速度快。操作系统内核不知道多线程的存在，因此一个线程阻塞将使得整个进程（包括它的所有线程）阻塞。由于这里的处理器时间片分配是以进程为基本单位，所以每个线程执行的时间相对减少。　　内核线程：线程的所有管理操作都是由操作系统内核完成的。内核保存线程的状态和上下文信息，当一个线程执行了引起阻塞的系统调用时，内核可以调度该进程的其他线程执行。在多处理器系统上，内核可以分派属于同一进程的多个线程在多个处理器上运行，提高进程执行的并行度。由于需要内核完成线程的创建、调度和管理，所以和用户级线程相比这些操作要慢得多，但是仍然比进程的创建和管理操作要快。大多数市场上的操作系统，如Windows，Linux等都支持内核级线程。

　　我们每创建一个线程，jvm都会帮我们在内核空间创建一个线程，这样就避免了jvm来管理线程使操作系统不知道线程的存在，只知道jvm这一个进程，所以一旦jvm中的线程堵塞，CPU是不会进行上下文切换的，导致整个jvm进程都会堵塞。

三、为什么用到并发？并发会产生什么问题？

　　并发编程的本质其实就是利用多线程技术，在现代多核的CPU的背景下，催生了并发编程的趋势，通过并发编程的形式可以将多核CPU的计算能力发挥到极致，性能得到提升。除此之外，面对复杂业务模型，并行程序会比串行程序更适应业务需求，而并发编程更能吻合这种业务拆分。　　即使是单核处理器也支持多线程执行代码，CPU通过给每个线程分配CPU时间片来实现这个机制。时间片是CPU分配给各个线程的时间，因为时间片非常短，所以CPU通过不停地切换线程执行，让我们感觉多个线程是同时执行的，时间片一般是几十毫秒（ms）。　　并发不等于并行：并发指的是多个任务交替进行，而并行则是指真正意义上的“同时进行”。实际上，如果系统内只有一个CPU，而使用多线程时，那么真实系统环境下不能并行，只能通过切换时间片的方式交替进行，而成为并发执行任务。真正的并行也只能出现在拥有多个CPU的系统中。　　并发的优点：　　　　1充分利用多核CPU的计算能力；　　　　2方便进行业务拆分，提升应用性能；　　　并发产生的问题：　　　　1.高并发场景下，导致频繁的上下文切换　　　 2.临界区线程安全问题，容易出现死锁的，产生死锁就会造成系统功能不可用　 CPU通过分配时间片来每次循环任务，每次需要切换到下一个任务时，都会保存上一个任务的结束状态，以便切换回来可以在加载这个任务，所以任务从保存到再加载的过程就是一次上下文切换。

四、什么是JMM模型？

　　JMM并不真实存在，只是一种规范，通过这种规范来让定义程序中各个变量的访问方式。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)，用于存储线程私有的数据，而Java内存模型中规定所有变量都存储在主内存，主内存是共享内存区域，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的自己的工作内存空间，然后对变量进行操作，操作完成后再将变量写回主内存，不能直接操作主内存中的变量，工作内存中存储着主内存中的变量副本拷贝，前面说过，工作内存是每个线程的私有数据区域，因此不同的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

　　JMM是围绕原子性，有序性、可见性展开

JMM-同步八种操作介绍　　（1）lock(锁定)：作用于主内存的变量，把一个变量标记为一条线程独占状态　　（2）unlock(解锁)：作用于主内存的变量，把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定　　（3）read(读取)：作用于主内存的变量，把一个变量值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用　　（4）load(载入)：作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中　　（5）use(使用)：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎　　（6）assign(赋值)：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量　　（7）store(存储)：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write的操作　　（8）write(写入)：作用于工作内存的变量，它把store操作从工作内存中的一个变量的值传送到主内存的变量中　　如果要把一个变量从主内存中复制到工作内存中，就需要按顺序地执行read和load操作，如果把变量从工作内存中同步到主内存中，就需要按顺序地执行store和write操作。但Java内存模型只要求上述操作必须按顺序执行，而没有保证必须是连续执行。