面試官：今天想跟你聊聊Java記憶體模型，這塊你了解過嗎？
候選者：嗯，我簡單說下我的理解吧，那我就從為什么要有Java記憶體模型開始講起吧
面試官：開始你的表演吧，
候選者：那我先說下背景吧
候選者：1. 現有計算機往往是多核的，每個核心下會有高速快取，高速快取的誕生是由于「CPU與記憶體(主存)的速度存在差異」，L1和L2快取一般是「每個核心獨占」一份的，
候選者：2. 為了讓CPU提高運算效率，處理器可能會對輸入的代碼進行「亂序執行」，也就是所謂的「指令重排序」
候選者：3. 一次對數值的修改操作往往是非原子性的（比如i++實際上在計算機執行時就會分成多個指令）
候選者：在永遠單執行緒下，上面所講的均不會存在什么問題，因為單執行緒意味著無并發，并且在單執行緒下，編譯器/runtime/處理器都必須遵守as-if-serial語意，遵守as-if-serial意味著它們不會對「資料依賴關系的操作」做重排序，
候選者：CPU為了效率，有了高速快取、有了指令重排序等等，整塊架構都變得復雜了，我們寫的程式肯定也想要「充分」利用CPU的資源啊！于是乎，我們使用起了多執行緒
候選者：多執行緒在意味著并發，并發就意味著我們需要考慮執行緒安全問題
候選者：1. 快取資料不一致：多個執行緒同時修改「共享變數」，CPU核心下的高速快取是「不共享」的，那多個cache與記憶體之間的資料同步該怎么做？
候選者：2. CPU指令重排序在多執行緒下會導致代碼在非預期下執行，最侄訓導致結果存在錯誤的情況，
候選者：針對于「快取不一致」問題，CPU也有其解決辦法，常被大家所認識的有兩種：
候選者：1.使用「總線鎖」：某個核心在修改資料的程序中，其他核心均無法修改記憶體中的資料，（類似于獨占記憶體的概念，只要有CPU在修改，那別的CPU就得等待當前CPU釋放）
候選者：2.快取一致性協議（MESI協議，其實協議有很多，只是舉個大家都可能見過的），MESI拆開英文是（Modified （修改狀態）、Exclusive （獨占狀態）、Share（共享狀態）、Invalid（無效狀態））
候選者：快取一致性協議我認為可以理解為「快取鎖」，它針對的是「快取行」(Cache line) 進行"加鎖"，所謂「快取行」其實就是 高速快取 存盤的最小單位，
面試官：嗯...
候選者：MESI協議的原理大概就是：當每個CPU讀取共享變數之前，會先識別資料的「物件狀態」(是修改、還是共享、還是獨占、還是無效)，
候選者：如果是獨占，說明當前CPU將要得到的變數資料是最新的，沒有被其他CPU所同時讀取
候選者：如果是共享，說明當前CPU將要得到的變數資料還是最新的，有其他的CPU在同時讀取，但還沒被修改
候選者：如果是修改，說明當前CPU正在修改該變數的值，同時會向其他CPU發送該資料狀態為invalid(無效)的通知，得到其他CPU回應后（其他CPU將資料狀態從共享(share)變成invalid(無效)），會當前CPU將高速快取的資料寫到主存，并把自己的狀態從modify(修改)變成exclusive(獨占)
候選者：如果是無效，說明當前資料是被改過了，需要從主存重新讀取最新的資料，
候選者：其實MESI協議做的就是判斷「物件狀態」，根據「物件狀態」做不同的策略，關鍵就在于某個CPU在對資料進行修改時，需要「同步」通知其他CPU，表示這個資料被我修改了，你們不能用了，
候選者：比較于「總線鎖」，MESI協議的"鎖粒度"更小了，性能那肯定會更高咯
面試官：但據我了解，CPU還有優化，你還知道嗎？
候選者：嗯，還是了解那么一點點的，
候選者：從前面講到的，可以發現的是：當CPU修改資料時，需要「同步」告訴其他的CPU，等待其他CPU回應接收到invalid(無效)后，它才能將高速快取資料寫到主存，
候選者：同步，意味著等待，等待意味著什么都干不了，CPU肯定不樂意啊，所以又優化了一把，
候選者：優化思路就是從「同步」變成「異步」，
候選者：在修改時會「同步」告訴其他CPU，而現在則把最新修改的值寫到「store buffer」中，并通知其他CPU記得要改狀態，隨后CPU就直接回傳干其他事了，等到收到其它CPU發過來的回應訊息，再將資料更新到高速快取中，
候選者：其他CPU接收到invalid(無效)通知時，也會把接收到的訊息放入「invalid queue」中，只要寫到「invalid queue」就會直接回傳告訴修改資料的CPU已經將狀態置為「invalid」
候選者：而異步又會帶來新問題：那我現在CPU修改完A值，寫到「store buffer」了，CPU就可以干其他事了，那如果該CPU又接收指令需要修改A值，但上一次修改的值還在「store buffer」中呢，沒修改至高速快取呢，
候選者：所以CPU在讀取的時候，需要去「store buffer」看看存不存在，存在則直接取，不存在才讀主存的資料，【Store Forwarding】
候選者：好了，解決掉第一個異步帶來的問題了，（相同的核心對資料進行讀寫，由于異步，很可能會導致第二次讀取的還是舊值，所以首先讀「store buffer」，
面試官：還有其他？
候選者：那當然啊，那「異步化」會導致相同核心讀寫共享變數有問題，那當然也會導致「不同」核心讀寫共享變數有問題啊
候選者：CPU1修改了A值，已把修改后值寫到「store buffer」并通知CPU2對該值進行invalid(無效)操作，而CPU2可能還沒收到invalid(無效)通知，就去做了其他的操作，導致CPU2讀到的還是舊值，
候選者：即便CPU2收到了invalid(無效)通知，但CPU1的值還沒寫到主存，那CPU2再次向主存讀取的時候，還是舊值...
候選者：變數之間很多時候是具有「相關性」(a=1;b=0;b=a)，這對于CPU又是無感知的...
候選者：總體而言，由于CPU對「快取一致性協議」進行的異步優化「store buffer」「invalid queue」，很可能導致后面的指令很可能查不到前面指令的執行結果（各個指令的執行順序非代碼執行順序），這種現象很多時候被稱作「CPU亂序執行」
候選者：為了解決亂序問題（也可以理解為可見性問題，修改完沒有及時同步到其他的CPU），又引出了「記憶體屏障」的概念，
面試官：嗯...
候選者：「記憶體屏障」其實就是為了解決「異步優化」導致「CPU亂序執行」/「快取不及時可見」的問題，那怎么解決的呢？嗯，就是把「異步優化」給”禁用“掉（：
候選者：記憶體屏障可以分為三種型別：寫屏障，讀屏障以及全能屏障（包含了讀寫屏障），屏障可以簡單理解為：在操作資料的時候，往資料插入一條"特殊的指令"，只要遇到這條指令，那前面的操作都得「完成」，
候選者：那寫屏障就可以這樣理解：CPU當發現寫屏障的指令時，會把該指令「之前」存在于「store Buffer」所有寫指令刷入高速快取，
候選者：通過這種方式就可以讓CPU修改的資料可以馬上暴露給其他CPU，達到「寫操作」可見性的效果，
候選者：那讀屏障也是類似的：CPU當發現讀屏障的指令時，會把該指令「之前」存在于「invalid queue」所有的指令都處理掉
候選者：通過這種方式就可以確保當前CPU的快取狀態是準確的，達到「讀操作」一定是讀取最新的效果，
候選者：由于不同CPU架構的快取體系不一樣、快取一致性協議不一樣、重排序的策略不一樣、所提供的記憶體屏障指令也有差異，為了簡化Java開發人員的作業，Java封裝了一套規范，這套規范就是「Java記憶體模型」
候選者：再詳細地說，「Java記憶體模型」希望 屏蔽各種硬體和作業系統的訪問差異，保證了Java程式在各種平臺下對記憶體的訪問都能得到一致效果，目的是解決多執行緒存在的原子性、可見性（快取一致性）以及有序性問題，
面試官：那要不簡單聊聊Java記憶體模型的規范和內容吧？
候選者：不了，怕一聊就是一個下午，下次吧？
本文總結：
- 并發問題產生的三大根源是「可見性」「有序性」「原子性」
- 可見性：CPU架構下存在高速快取，每個核心下的L1/L2高速快取不共享（不可見）
- 有序性：主要有三方面可能導致打破
- 編譯器優化導致重排序（編譯器可以在不改變單執行緒程式語意的情況下，可以對代碼陳述句順序進行調整重新排序）
- 指令集并行重排序（CPU原生就有可能將指令進行重排）
- 記憶體系統重排序（CPU架構下很可能有store buffer /invalid queue 緩沖區，這種「異步」很可能會導致指令重排）
- 原子性：Java的一條陳述句往往需要多條 CPU 指令完成(i++)，由于作業系統的執行緒切換很可能導致 i++ 操作未完成，其他執行緒“中途”操作了共享變數 i ，導致最終結果并非我們所期待的，
- 在CPU層級下，為了解決「快取一致性」問題，有相關的“鎖”來保證，比如“總線鎖”和“快取鎖”，
- 總線鎖是鎖總線，對共享變數的修改在相同的時刻只允許一個CPU操作，
- 快取鎖是鎖快取行(cache line)，其中比較出名的是MESI協議，對快取行標記狀態，通過“同步通知”的方式，來實作(快取行)資料的可見性和有序性
- 但“同步通知”會影響性能，所以會有記憶體緩沖區(store buffer/invalid queue)來實作「異步」進而提高CPU的作業效率
- 引入了記憶體緩沖區后，又會存在「可見性」和「有序性」的問題，平日大多數情況下是可以享受「異步」帶來的好處的，但少數情況下，需要強「可見性」和「有序性」，只能"禁用"快取的優化，
- “禁用”快取優化在CPU層面下有「記憶體屏障」，讀屏障/寫屏障/全能屏障，本質上是插入一條"屏障指令"，使得緩沖區(store buffer/invalid queue)在屏障指令之前的操作均已被處理，進而達到 讀寫 在CPU層面上是可見和有序的，
- 不同的CPU實作的架構和優化均不一樣，Java為了屏蔽硬體和作業系統訪問記憶體的各種差異，提出了「Java記憶體模型」的規范，保證了Java程式在各種平臺下對記憶體的訪問都能得到一致效果
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標籤：Java