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内存
JMM
内存模型
Java 内存模型是 Java Memory Model（JMM），本身是一种抽象的概念，实际上并不存在，描述的是一组规则或规范，通过这组规范定义了程序中各个变量（包括实例字段，静态字段和构成数组对象的元素）的访问方式
JMM 作用：
- 屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异，实现让 Java 程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果
- 规定了线程和内存之间的一些关系
根据 JMM 的设计，系统存在一个主内存（Main Memory），Java 中所有变量都存储在主存中，对于所有线程都是共享的；每条线程都有自己的工作内存（Working Memory），工作内存中保存的是主存中某些变量的拷贝，线程对所有变量的操作都是先对变量进行拷贝，然后在工作内存中进行，不能直接操作主内存中的变量；线程之间无法相互直接访问，线程间的通信（传递）必须通过主内存来完成
主内存和工作内存：
- 主内存：计算机的内存，也就是经常提到的 8G 内存，16G 内存，存储所有共享变量的值
- 工作内存：存储该线程使用到的共享变量在主内存的的值的副本拷贝
JVM 和 JMM 之间的关系：JMM 中的主内存、工作内存与 JVM 中的 Java 堆、栈、方法区等并不是同一个层次的内存划分，这两者基本上是没有关系的，如果两者一定要勉强对应起来：
- 主内存主要对应于 Java 堆中的对象实例数据部分，而工作内存则对应于虚拟机栈中的部分区域
- 从更低层次上说，主内存直接对应于物理硬件的内存，工作内存对应寄存器和高速缓存
内存交互
Java 内存模型定义了 8 个操作来完成主内存和工作内存的交互操作，每个操作都是原子的
非原子协定：没有被 volatile 修饰的 long、double 外，默认按照两次 32 位的操作
- lock：作用于主内存，将一个变量标识为被一个线程独占状态（对应 monitorenter）
- unclock：作用于主内存，将一个变量从独占状态释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定（对应 monitorexit）
- read：作用于主内存，把一个变量的值从主内存传输到工作内存中
- load：作用于工作内存，在 read 之后执行，把 read 得到的值放入工作内存的变量副本中
- use：作用于工作内存，把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎，每当遇到一个使用到变量的操作时都要使用该指令
- assign：作用于工作内存，把从执行引擎接收到的一个值赋给工作内存的变量
- store：作用于工作内存，把工作内存的一个变量的值传送到主内存中
- write：作用于主内存，在 store 之后执行，把 store 得到的值放入主内存的变量中
参考文章：https://github.com/CyC2018/CS-Notes/blob/master/notes/Java%20%E5%B9%B6%E5%8F%91.md
三大特性
可见性
可见性：是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值
存在不可见问题的根本原因是由于缓存的存在，线程持有的是共享变量的副本，无法感知其他线程对于共享变量的更改，导致读取的值不是最新的。但是 final 修饰的变量是不可变的，就算有缓存，也不会存在不可见的问题
main 线程对 run 变量的修改对于 t 线程不可见，导致了 t 线程无法停止：
static boolean run = true; //添加volatile
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t = new Thread(()->{
while(run){
// ....
}
});
t.start();
sleep(1);
run = false; // 线程t不会如预想的停下来
}
原因：
- 初始状态， t 线程刚开始从主内存读取了 run 的值到工作内存
- 因为 t 线程要频繁从主内存中读取 run 的值，JIT 编译器会将 run 的值缓存至自己工作内存中的高速缓存中，减少对主存中 run 的访问，提高效率
- 1 秒之后，main 线程修改了 run 的值，并同步至主存，而 t 是从自己工作内存中的高速缓存中读取这个变量的值，结果永远是旧值
原子性
原子性：不可分割，完整性，也就是说某个线程正在做某个具体业务时，中间不可以被分割，需要具体完成，要么同时成功，要么同时失败，保证指令不会受到线程上下文切换的影响
定义原子操作的使用规则：
- 不允许 read 和 load、store 和 write 操作之一单独出现，必须顺序执行，但是不要求连续
- 不允许一个线程丢弃 assign 操作，必须同步回主存
- 不允许一个线程无原因地（没有发生过任何 assign 操作）把数据从工作内存同步会主内存中
- 一个新的变量只能在主内存中诞生，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（assign 或者 load）的变量，即对一个变量实施 use 和 store 操作之前，必须先自行 assign 和 load 操作
- 一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行 lock 操作，但 lock 操作可以被同一线程重复执行多次，多次执行 lock 后，只有执行相同次数的 unlock 操作，变量才会被解锁，lock 和 unlock 必须成对出现
- 如果对一个变量执行 lock 操作，将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量之前需要重新从主存加载
- 如果一个变量事先没有被 lock 操作锁定，则不允许执行 unlock 操作，也不允许去 unlock 一个被其他线程锁定的变量
- 对一个变量执行 unlock 操作之前，必须先把此变量同步到主内存中（执行 store 和 write 操作）
有序性
有序性：在本线程内观察，所有操作都是有序的；在一个线程观察另一个线程，所有操作都是无序的，无序是因为发生了指令重排序
CPU 的基本工作是执行存储的指令序列，即程序，程序的执行过程实际上是不断地取出指令、分析指令、执行指令的过程，为了提高性能，编译器和处理器会对指令重排，一般分为以下三种：
源代码 -> 编译器优化的重排 -> 指令并行的重排 -> 内存系统的重排 -> 最终执行指令
现代 CPU 支持多级指令流水线，几乎所有的冯•诺伊曼型计算机的 CPU，其工作都可以分为 5 个阶段：取指令、指令译码、执行指令、访存取数和结果写回，可以称之为五级指令流水线。CPU 可以在一个时钟周期内，同时运行五条指令的不同阶段（每个线程不同的阶段），本质上流水线技术并不能缩短单条指令的执行时间，但变相地提高了指令地吞吐率
处理器在进行重排序时，必须要考虑指令之间的数据依赖性
- 单线程环境也存在指令重排，由于存在依赖性，最终执行结果和代码顺序的结果一致
- 多线程环境中线程交替执行，由于编译器优化重排，会获取其他线程处在不同阶段的指令同时执行
补充知识：
- 指令周期是取出一条指令并执行这条指令的时间，一般由若干个机器周期组成
- 机器周期也称为 CPU 周期，一条指令的执行过程划分为若干个阶段（如取指、译码、执行等），每一阶段完成一个基本操作，完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期
- 振荡周期指周期性信号作周期性重复变化的时间间隔
