硬件内存模型到 Java 内存模型，这些硬核知识你知多少？("从硬件内存模型到Java内存模型：深入解析硬核知识你知道多少？")

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ithorizon 7个月前 (10-20) 阅读数 29 #后端开发

从硬件内存模型到Java内存模型：深入解析硬核知识你知道多少？

一、硬件内存模型简介

在计算机系统中，硬件内存模型是指处理器、内存以及它们之间的交互方案。硬件内存模型是计算机系统的基础，它决定了程序的执行高效和保险性。下面我们将简要介绍硬件内存模型的基本概念。

1.1 处理器与内存的交互

处理器与内存之间的交互关键通过以下几种方案：

读取（Read）：处理器从内存中读取数据。

写入（Write）：处理器将数据写入内存。

缓存（Cache）：处理器在本地缓存中保存最近访问的内存数据，以加快访问速度。

1.2 缓存一致性协议

多处理器系统中，为了保证各个处理器缓存的数据一致性，需要采用缓存一致性协议。常见的缓存一致性协议有：

mesi协议：包括Modified、Exclusive、Shared、Invalid四种状态。

moesi协议：mesi协议的扩展，增多了-Owned状态。

dragon协议：一种分布式缓存一致性协议。

二、Java内存模型

Java内存模型（JMM）是Java虚拟机（JVM）的一部分，它定义了Java程序中各种变量（线程共享的变量）的访问规则，保证了多线程环境下程序的正确性和性能。下面我们将详细介绍Java内存模型的基本概念。

2.1 Java内存模型的结构

Java内存模型关键由以下几个部分组成：

主内存（Main Memory）：存放Java程序中的实例字段、静态字段和构成数组的元素。

工作内存（Working Memory）：每个线程都有自己的工作内存，用于存储线程使用的变量的副本。

内存操作（Memory Operation）：包括变量的读取（Read）和写入（Write）操作。

内存屏障（Memory Barrier）：用于实现内存操作的顺序性和可见性。

2.2 内存屏障

内存屏障是一种同步机制，用于实现内存操作的顺序性和可见性。Java内存模型中关键有以下几种内存屏障：

Load Barrier：保证在 barrier 之前的读操作完成后，才能起始执行 barrier 之后的读操作。

Store Barrier：保证在 barrier 之前的写操作完成后，才能起始执行 barrier 之后的写操作。

Full Barrier：同时具有 Load Barrier 和 Store Barrier 的效果。

2.3 内存屏障的应用

内存屏障在Java内存模型中的应用关键包括以下几个方面：

保证可见性：当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即看到这个修改。

保证有序性：保证程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

实现同步：通过内存屏障实现线程之间的同步。

三、硬件内存模型与Java内存模型的联系

硬件内存模型与Java内存模型之间有着紧密的联系。Java内存模型是构建在硬件内存模型之上的，它通过抽象和封装，为Java程序提供了更加高效和保险的内存操作机制。

3.1 内存屏障与缓存一致性协议

在Java内存模型中，内存屏障的实现依存于硬件内存模型中的缓存一致性协议。例如，mesi协议中的Invalid状态就是通过内存屏障实现的。

3.2 内存屏障与Java并发编程

在Java并发编程中，为了保证多线程环境下程序的正确性和性能，需要合理使用内存屏障。以下是一些常见的使用场景：

volatile关键字：通过内存屏障保证volatile变量的可见性和有序性。

synchronized关键字：通过内存屏障实现synchronized代码块内的同步。

原子操作：通过内存屏障保证原子操作的原子性。

四、案例分析

下面我们通过一个简洁的案例分析来深入明白硬件内存模型与Java内存模型之间的联系。

4.1 案例描述

假设有一个简洁的Java程序，其中包含两个线程：线程A和线程B。线程A负责修改共享变量x的值，线程B负责读取共享变量x的值。下面是程序的伪代码：


public class Example {
    private static int x = 0;
    public static void main(String[] args) {
        Thread A = new Thread(() -> {
            x = 1;
        });
        Thread B = new Thread(() -> {
            if (x == 1) {
                // do something
            }
        });
        A.start();
        B.start();
    }
}

4.2 分析过程

在这个案例中，线程A和线程B之间存在共享变量x。为了保证程序的正确性，我们需要分析以下两个方面：

线程A修改x的值后，线程B能否立即看到这个修改？

线程B在读取x的值之前，线程A是否已经完成了修改？

在硬件内存模型中，线程A修改x的值会先写入自己的工作内存，然后通过缓存一致性协议更新到主内存。线程B读取x的值时，会先从主内存中读取，然后写入自己的工作内存。在这个过程中，如果线程A和线程B之间没有适当的内存屏障，那么线程B大概无法立即看到线程A的修改，或者线程B读取的值大概是过期的。

在Java内存模型中，为了保证可见性和有序性，我们可以使用volatile关键字。下面是修改后的代码：


public class Example {
    private volatile static int x = 0;
    public static void main(String[] args) {
        Thread A = new Thread(() -> {
            x = 1;
        });
        Thread B = new Thread(() -> {
            if (x == 1) {
                // do something
            }
        });
        A.start();
        B.start();
    }
}