相信大多數(shù)同學(xué)都背過JMM的八股，一聽到JMM直接開始吟唱：什么重排序，線程本地內(nèi)存與主存，巴拉巴拉的。但「從零開始設(shè)計(jì)個(gè)JMM吧，說說你的思路」顯然不是只問「Java是怎么做的」，更加強(qiáng)調(diào)：「你要設(shè)計(jì)JMM，為什么需要JMM？要解決哪些問題？怎么解決的？」 這也是本篇文章要強(qiáng)調(diào)的，我們只有明白為什么，才能更好地理解JMM定義的規(guī)范。

為什么需要JMM

我們需要并發(fā)編程。比如看一個(gè)視頻，計(jì)算機(jī)需要做：接受并讀取數(shù)據(jù)包，解壓數(shù)據(jù)包，播放數(shù)據(jù)包三件事。我們當(dāng)然希望有三個(gè)線程分別取執(zhí)行這三個(gè)子任務(wù)，從而達(dá)到邊收數(shù)據(jù)，邊解壓，邊播放，而不是先接受完整的數(shù)據(jù)包，再解壓完，再播放這樣的串行執(zhí)行。但我們要解決這樣一個(gè)問題：「如果播放的速度快于解壓的速度，那么負(fù)責(zé)播放的線程如何感知到此時(shí)能播放的數(shù)據(jù)已經(jīng)播放完了？解壓得到了新的數(shù)據(jù)，又該如何通知播放線程可以播放了呢？」

通信與同步的概念

用更抽象的語言來表達(dá)就是：

• 線程之間如何「通信」，更確切的說，如何將線程A的數(shù)據(jù)交付給線程B，「線程之間以何種機(jī)制來交換信息」
• 線程之間如何「同步」，即線程A如何讓線程B停下來，等線程A的工作完成到一定程度再把線程B叫醒繼續(xù)工作

這就是「通信與同步的概念」。這就是并發(fā)編程需要實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)最基本的功能：通信與同步。

并發(fā)編程基本工作模型

那么實(shí)現(xiàn)并發(fā)編程的核心問題就是：如何實(shí)現(xiàn)「通信與同步」？

一般有兩種并發(fā)編程的基本工作模型：

• 消息傳遞并發(fā)模型：線程A給線程B發(fā)送數(shù)據(jù)消息，從而通信，收到數(shù)據(jù)的線程B可以根據(jù)數(shù)據(jù)來決定是否阻塞（停下來）或是繼續(xù)工作。即：「顯式通信，隱式同步」
• 共享內(nèi)存并發(fā)模型：線程A修改共享內(nèi)存中的某個(gè)數(shù)據(jù)，B可以通過某種方式，比如輪詢，感知到這個(gè)數(shù)據(jù)的變化，從而改變自己的行為。即：「隱式通信，顯式同步 （這也是JAVA所采用的模型）」

重新審視面試題：線程之間如何通信

不要急著開始吟唱：比如wait/notify之類的。

首先wait源碼是將線程放入monitor的WaitSet中阻塞，這個(gè)過程和別的線程交換信息了嗎？其實(shí)沒有，但調(diào)用wait方法會(huì)「釋放鎖」。

而「釋放鎖」這個(gè)行為，對(duì)開發(fā)者來說，是同步，但會(huì)隱式地將線程本地內(nèi)存的數(shù)據(jù)回寫到主存中，開發(fā)者感知不到，但是實(shí)打?qū)嵶隽?，這是synchronized的內(nèi)存語義保證的，這就是「隱式通信，顯式同步」。

因此，在Java世界中，是「隱式通信，顯式同步」的，在吟唱之前，先和面試官說清楚這個(gè)概念，是非常有必要的，然后再繼續(xù)你的吟唱。別小看這么一個(gè)簡單的問題，這就是你和其他競爭者拉開差距的好機(jī)會(huì)。

下層給并發(fā)編程帶來的問題

雖然上述分析已經(jīng)讓我們明確了實(shí)現(xiàn)并發(fā)編程最關(guān)鍵的問題所在，也確定了兩種模型來實(shí)現(xiàn)線程間的通信與同步功能，但我們還必須考慮到下層的硬件，操作系統(tǒng)，編譯器等向上的影響。硬件和操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)各不相同，我們需要一個(gè)模型來「屏蔽下層對(duì)上層的影響，或者說提供一些手段讓程序員一定程度上能夠影響到下層硬件的工作」。而一般來說，下層對(duì)上層的影響就是如下三個(gè)問題，它們也被叫做并發(fā)三要素：

可見性問題

可見性問題一般是由CPU緩存等硬件引起，每個(gè)核心的L1，L2 cache都是私有的，每個(gè)線程分別運(yùn)行在CPU的兩個(gè)核心，對(duì)cache的寫操作，硬件不能保證彼此的可見性，這就是并發(fā)模型需要考慮的第一個(gè)問題：可見性問題。

原子性問題

CPU如何調(diào)度線程？CPU會(huì)為每個(gè)線程分配一個(gè)時(shí)間片，執(zhí)行完這個(gè)時(shí)間片，該線程還沒執(zhí)行完，會(huì)先去執(zhí)行其他的線程。那這會(huì)導(dǎo)致什么問題呢？假設(shè)我們此時(shí)有兩個(gè)線程A，B都執(zhí)行同一行代碼：i++，起初i為0，我們預(yù)期執(zhí)行結(jié)果為i = 2，而這行代碼實(shí)際需要三條 CPU 指令：

• 讀取i的值到寄存器
• +1，此時(shí)結(jié)果存儲(chǔ)在寄存器
• 寫回，可能寫入的是CPU Cache，也可能是主存

假設(shè)線程A讀取i后阻塞，輪到線程B執(zhí)行，線程B正常執(zhí)行完i++，并且順利寫回主存，此時(shí)主存的i為1，輪到線程A執(zhí)行，但此時(shí)A「不會(huì)重新去讀取主存中的i的值」，繼續(xù)執(zhí)行+1，并且順利寫回主存，此時(shí)主存的i的值仍為1，這就和我們所預(yù)想的i = 2 不太相同。這就是第二個(gè)問題：原子性問題

?

可以看到，我們的假設(shè)已經(jīng)保證了每條線程都從主存中讀取數(shù)據(jù)，并且寫完立刻寫回主存，即我們的假設(shè)是「已經(jīng)解決了可見性問題」的，但因?yàn)镃PU調(diào)度導(dǎo)致的「原子性問題」沒有解決，才導(dǎo)致了程序運(yùn)行結(jié)果與預(yù)期不同

?

具有原子性的一個(gè)或多個(gè)操作叫做原子操作，「原子操作是不能操作系統(tǒng)被中斷的」。

有序性問題

從 java 源代碼到最終實(shí)際執(zhí)行的指令序列，會(huì)分別經(jīng)歷下面三種重排序：

重排序的概念：計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)，為了提高性能，編譯器和處理器常常會(huì)對(duì)指令做重排序。

舉個(gè)例子：

 int a = 1;
 int b = 2;
 int c = a + b;

上面1 2行代碼，它們的執(zhí)行的先后順序，對(duì)第三行代碼而言，根本不重要，即1 2行即使交換執(zhí)行順序，也不會(huì)影響程序的運(yùn)行結(jié)果，因此在這里就有一個(gè)可重排序的空間，如果重排序能帶來性能的提高，那也許就會(huì)發(fā)生重排序

那么在一個(gè)線程內(nèi)，以及在多個(gè)線程并發(fā)執(zhí)行的情況，硬件，編譯器具體如何重排序都可能不一樣，因此指令的執(zhí)行順序?qū)Τ绦騿T而言是個(gè)黑盒，我們不得而知。為了使程序的執(zhí)行結(jié)果符合預(yù)期，我們必須對(duì)這些重排序做一些限制，從而使得多線程并發(fā)的場(chǎng)景下，程序的執(zhí)行結(jié)果仍然與預(yù)期相符，這就是第三個(gè)問題：有序性問題。

「可見性和有序性的區(qū)別」

還是舉個(gè)例子來幫助你理解：

仍然是兩個(gè)線程A和B，A執(zhí)行代碼：i++，起初i為0；B僅僅是讀取 i 的值。按照預(yù)期，A先執(zhí)行i++，并刷新到主存，B讀取 i 應(yīng)該是1。但實(shí)際上，盡管你先啟動(dòng)A線程，也可能被重排序，CPU先執(zhí)行線程B，讀到i為0，再執(zhí)行線程A做i++。這個(gè)過程沒有發(fā)生可見性問題，因?yàn)樵贐讀取的時(shí)候，主存，以及A的本地內(nèi)存 i 都是0，但是運(yùn)行結(jié)果與預(yù)期不相符。

并發(fā)編程基礎(chǔ)小結(jié)

學(xué)到這里，我們已經(jīng)知道實(shí)現(xiàn)并發(fā)編程的基本理論，知道通信與同步的概念以及并發(fā)必須解決的三大問題：可見性，原子性，有序性。那接下來就是：如何實(shí)現(xiàn)通信與同步的功能，以及如何解決三大問題了。雖然說是「從零開始設(shè)計(jì)JMM」，但最終肯定還是要說到JMM的實(shí)現(xiàn)啊，問就是我和JMM設(shè)計(jì)者想的一樣。

接下來我們就正式來看一看Java是如何做的。

JMM：Java內(nèi)存模型??

JMM ：Java Memory Model，中文叫 Java內(nèi)存模型，JMM描述的是一組規(guī)范

下面依次介紹JMM規(guī)范

解決可見性：內(nèi)存的抽象劃分

• JMM決定了一個(gè)線程對(duì)共享變量的寫入何時(shí)對(duì)另一個(gè)線程可見
• JMM定義了線程和主內(nèi)存之間的抽象關(guān)系（線程本地內(nèi)存和主存）
• JMM通過控制主內(nèi)存與每個(gè)線程的本地內(nèi)存之間的交互，來為Java程序員提供內(nèi)存可見性保證

每個(gè)線程創(chuàng)建時(shí)，JVM都會(huì)為其分配「線程本地內(nèi)存」，而用「主存」代表線程共享的所有資源。「線程對(duì)共享變量的所有操作都必須在自己的「線程本地內(nèi)存」中進(jìn)行，不能直接從「主存」中讀取?！妇€程本地內(nèi)存」是線程私有的，別的線程無法訪問，注意：這不代表「線程本地內(nèi)存」內(nèi)的變量別的線程無法擁有。兩個(gè)「線程本地內(nèi)存」可以獲得來自「主存」的一模一樣的變量的副本」。見下圖：

線程本地內(nèi)存的本質(zhì)

線程本地內(nèi)存是JMM提出的一個(gè)「抽象的概念，并不真實(shí)存在」。它涵蓋了「緩存，寫緩沖區(qū)，寄存器以及其他的硬件和編譯器優(yōu)化?！?/strong> 因?yàn)橛布@么多，實(shí)現(xiàn)各不相同，依賴于硬件是不可靠的，因此需要這一個(gè)抽象的概念來表示：「所有由于某種原因?qū)е戮€程操作的數(shù)據(jù)不會(huì)立即寫回到內(nèi)存，或是通知其它CPU核心，從而造成一致性問題的潛在因素的集合」。

int a = 1;
int b = 2;

int a = 1;
System.out.print(a);

static volatile int a;
// 線程A
new Thread(() -> {
    System.out.println(a);
}).start();
// 線程B
new Thread(() -> {
    a = 1;
}).start();

static volatile int a = 1;
static volatile boolean flag = true;     
if(flag){
  System.out.println(a * a);
}