java内存模型(7)
一 说明
想要理解多线程的工作原理，单靠之前的syncronized机制的文章是不够的，本文讲述的cpu cache 模型 和 java内存模型都是抽象的概念，其有助于后续volatile关键字的学习。
二 CPU内存模型
2.1 cpu 与 内存 简介
随着现代科技的展，cpu的制造工艺已经十分发达，市场上很难见到单核的cpu，现在的cup都是至少都是2核以上,常见的2核，4核，8核，比较高级的就是16核、32核,甚至64核；可想而知单核cpu的处理效率有多么低下。虽然cpu的制造工艺已经比较发达，可是内存制造工艺方面的发展确十分有限，往往我们购买内存比常规的内存稍大的电脑其价格都是大幅度增长，其原因就是内存制造工艺受限，成本较高，现在的内存的效率很难跟上多核cpu的处理能力。受限于内存工艺的发展慢速，开始出现了使用缓存技术来提高内存的读写效率，现在的缓存最高多达3级，L1 cache最靠近cpu,随后是L2 cache,L3 cache，如下图所示，从数据中可以看出L1 cache 的容量大小较低 然后L2 cache, L3 cache容量大小依次提升。
2.2 缓存技术介绍
缓存技术就是先把我们读写的数据从内存中先提取到缓存中，在缓存中cpu对数据进行操作，cpu操作完后再将缓存中的数据刷写内存中，这样就提高了cpu对内存的读写效率（如下图所示）：
2.3 缓存技术带来的问题
缓存技术明显提高了cpu的吞吐量，在多核cpu的情况下就不用对一同一个内存进行操作，每个cpu都有自己的cache，只对自己的cache进行操作；在单核的情况下缓存技术不会带来数据不一致的问题，但是在多核的情况下就会发生数据不一致问题。举个例子：当2个cpu同时对内存中的变量进行操作时，各自从内存中复制一份到自己的cache，在自己的cache中对变量进行同样的操作，然后同时刷到缓存中；在这个过程中2个cpu都对同一个变量进行了同样的操作，如果变量的值是1进行都是加1操作，那么我们应该得到的值是3，但是由于缓存不一致的问题，我们得到的结果却是2。
2.4 缓存不一致问题的解决
第一种方案：计算级按照数据传输类型来分总线有三种（数据总线，控制总线，地址总线），数据总线用于在 CPU 与内存或 IO 接口之间传送数据，控制总线用于在 CPU 与内存或 IO 接口之间传送控制信号，地址总线用于传送计算单元或 IO 接口的地址信息；基础不够的同学可以可学习一下计算级原理组成。通过总线加锁的方式解决缓存不一致的问题，即在同一时刻，只有一个cpu能拿到总线锁，对数据进行操作。
第二种方案：通过缓存一致性协议来解决缓存不一致的问题，比较出名就是MESI协议；MESI协议是基于Invalidate的高速缓存一致性协议，并且是支持回写高速缓存的最常用协议之一， 它也被称为伊利诺伊州协议；MESI协议一共有4种缓存行（cpu缓存中的最小单位是缓存行(cache line)）状态；
- 修改状态（Modify）：即cache line 存在 cpu cache，对里面的数据进行了修改，随时可能写入主存中；
- 独享状态（exclusive）：即cache line 存在 cpu cache，缓存中的数据和主存中的数据一致，如果有其他cpu从主存中读取数据，那么会变成共享状态；
- 共享状态（share）：即这个cache line 可能被多个cpu cache 所缓存，它们之间的数据一致，当有一个cpu 对 cache 中 的 cache line 数据进行修改，那么其他cpu cache 中 cpu line 会作废;
- 无效状态（invalid）：即 cache line 被cpu修改过；
从上面的分析可以看出，当使用MESI协议，只要cpu 对 cache 中的 cache line 进行修改操作，那么其他 cpu 中相同的 cache line 就会作废，这就保证了数据的一致性。
三 java内存模型
java线程之间的通信通过Java内存模型（JMM）控制，JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。从抽象的角度来看，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：
- 共享变量存储在主存中，每个共享变量对所有线程都是可见。
- 每个线程都有私有的内存，即本地内存，本地内存中只存储共享变量的副本；
- 线程无法操作主存，线程操作完变量后，从本地内存将变量写入主存。
- 本地内存是JMM的一个抽象概念，并不真实存在。它涵盖了缓存、写缓冲区、寄存器以及其他的硬件和编译器优
化以及硬件等
根据MESI协议的思路，Java内存模型跟其很相似；假设共享变量x存于主存中，thread1和thread2将变量x同时提取到本地内存，thread1对变量副本x进行修改操作，然后thread1将本地内存刷到主存中，thread2拥有的变量副本x就作废；基于JMM模型就保证了数据的一致性；重要的话再怎么说都不为过：JMM是抽象概念，如何保证变量的可见性是个问题。
