面試官：今天想跟你聊聊Java內存模型，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內存模型開始講起吧
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緩存。高速緩存的誕生是由於「CPU與內存(主存)的速度存在差異」，L1和L2緩存一般是「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：在永遠單線程下，上面所講的均不會存在什么問題，因為單線程意味着無並發。並且在單線程下，編譯器/runtime/處理器都必須遵守as-if-serial語義，遵守as-if-serial意味着它們不會對「數據依賴關系的操作」做重排序。
候選者：CPU為了效率，有了高速緩存、有了指令重排序等等，整塊架構都變得復雜了。我們寫的程序肯定也想要「充分」利用CPU的資源啊！於是乎，我們使用起了多線程
候選者：多線程在意味着並發，並發就意味着我們需要考慮線程安全問題
候選者：1. 緩存數據不一致：多個線程同時修改「共享變量」，CPU核心下的高速緩存是「不共享」的，那多個cache與內存之間的數據同步該怎么做？
候選者：2. CPU指令重排序在多線程下會導致代碼在非預期下執行，最終會導致結果存在錯誤的情況。
候選者：針對於「緩存不一致」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」：某個核心在修改數據的過程中，其他核心均無法修改內存中的數據。（類似於獨占內存的概念，只要有CPU在修改，那別的CPU就得等待當前CPU釋放）
候選者：2.緩存一致性協議（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：緩存一致性協議我認為可以理解為「緩存鎖」，它針對的是「緩存行」(Cache line) 進行"加鎖"，所謂「緩存行」其實就是 高速緩存 存儲的最小單位。
面試官：嗯...
候選者：MESI協議的原理大概就是：當每個CPU讀取共享變量之前，會先識別數據的「對象狀態」(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將要得到的變量數據是最新的，沒有被其他CPU所同時讀取
候選者：如果是共享，說明當前CPU將要得到的變量數據還是最新的，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正在修改該變量的值，同時會向其他CPU發送該數據狀態為invalid(無效)的通知，得到其他CPU響應后（其他CPU將數據狀態從共享(share)變成invalid(無效)），會當前CPU將高速緩存的數據寫到主存，並把自己的狀態從modify(修改)變成exclusive(獨占)
候選者：如果是無效，說明當前數據是被改過了，需要從主存重新讀取最新的數據。
候選者：其實MESI協議做的就是判斷「對象狀態」，根據「對象狀態」做不同的策略。關鍵就在於某個CPU在對數據進行修改時，需要「同步」通知其他CPU，表示這個數據被我修改了，你們不能用了。
候選者：比較於「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修改數據時，需要「同步」告訴其他的CPU，等待其他CPU響應接收到invalid(無效)后，它才能將高速緩存數據寫到主存。
候選者：同步，意味着等待，等待意味着什么都干不了。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，並通知其他CPU記得要改狀態，隨后CPU就直接返回干其他事了。等到收到其它CPU發過來的響應消息，再將數據更新到高速緩存中。
候選者：其他CPU接收到invalid(無效)通知時，也會把接收到的消息放入「invalid queue」中，只要寫到「invalid queue」就會直接返回告訴修改數據的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，沒修改至高速緩存呢。
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，不存在才讀主存的數據。【Store Forwarding】
候選者：好了，解決掉第一個異步帶來的問題了。（相同的核心對數據進行讀寫，由於異步，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量有問題，那當然也會導致「不同」核心讀寫共享變量有問題啊
候選者：CPU1修改了A值，已把修改后值寫到「store buffer」並通知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：變量之間很多時候是具有「相關性」(a=1;b=0;b=a)，這對於CPU又是無感知的...
候選者：總體而言，由於CPU對「緩存一致性協議」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「內存屏障」的概念。
面試官：嗯...
候選者：「內存屏障」其實就是為了解決「異步優化」導致「CPU亂序執行」/「緩存不及時可見」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：內存屏障可以分為三種類型：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：在操作數據的時候，往數據插入一條"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」存在於「store Buffer」所有寫指令刷入高速緩存。
候選者：通過這種方式就可以讓CPU修改的數據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」存在於「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的緩存狀態是准確的，達到「讀操作」一定是讀取最新的效果。
候選者：由於不同CPU架構的緩存體系不一樣、緩存一致性協議不一樣、重排序的策略不一樣、所提供的內存屏障指令也有差異，為了簡化Java開發人員的工作。Java封裝了一套規范，這套規范就是「Java內存模型」
候選者：再詳細地說，「Java內存模型」希望 屏蔽各種硬件和操作系統的訪問差異，保證了Java程序在各種平台下對內存的訪問都能得到一致效果。目的是解決多線程存在的原子性、可見性（緩存一致性）以及有序性問題。
面試官：那要不簡單聊聊Java內存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：
- 並發問題產生的三大根源是「可見性」「有序性」「原子性」
- 可見性：CPU架構下存在高速緩存，每個核心下的L1/L2高速緩存不共享（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線程程序語義的情況下，可以對代碼語句順序進行調整重新排序）
- 指令集並行重排序（CPU原生就有可能將指令進行重排）
- 內存系統重排序（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的一條語句往往需要多條 CPU 指令完成(i++)，由於操作系統的線程切換很可能導致 i++ 操作未完成，其他線程“中途”操作了共享變量 i ，導致最終結果並非我們所期待的。
- 在CPU層級下，為了解決「緩存一致性」問題，有相關的“鎖”來保證，比如“總線鎖”和“緩存鎖”。
- 總線鎖是鎖總線，對共享變量的修改在相同的時刻只允許一個CPU操作。
- 緩存鎖是鎖緩存行(cache line)，其中比較出名的是MESI協議，對緩存行標記狀態，通過“同步通知”的方式，來實現(緩存行)數據的可見性和有序性
- 但“同步通知”會影響性能，所以會有內存緩沖區(store buffer/invalid queue)來實現「異步」進而提高CPU的工作效率
- 引入了內存緩沖區后，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"緩存的優化。
- “禁用”緩存優化在CPU層面下有「內存屏障」，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實現的架構和優化均不一樣，Java為了屏蔽硬件和操作系統訪問內存的各種差異，提出了「Java內存模型」的規范，保證了Java程序在各種平台下對內存的訪問都能得到一致效果
歡迎關注我的微信公眾號【Java3y】來聊聊Java面試，對線面試官系列持續更新中！
【對線面試官-移動端】系列 一周兩篇持續更新中！
【對線面試官-電腦端】系列 一周兩篇持續更新中！
原創不易！！求三連！！