前言

前一陣在看volatile的原理，看到內存屏障和緩存一致性，發現再往底層挖就挖到了硬件和Java內存模型。這一塊是自己似懂非懂的知識區，我一般稱之為知識混沌區。因此整理這一篇文章。

什么是內存模型（Memory?Model）呢？它是系統和程序員之間的規范，它規定了存儲器訪問的行為，并影響到了性能。并且，Memory?Model有多層，處理器規定、編譯器規定、高級語。對于高級語言來說，如Java內存模型，?它通常需要支持跨平臺，也就是說它會基于各種不同的內存模型，但是又要提供給程序員一個統一的內存模型，可以理解為一個適配器的角色。

這篇文字主要包含了三部分：

1. 硬件內存模型

2. Java內存模型和運行時數據區

3. 三者的關系

硬件內存模型

下圖是2012?Sandy?Bridge（一種Intel處理器）核心設計。圖中有socket1和socket2，可以理解為了這臺電腦中有兩個插cpu的槽，每個槽中有一個多核（C1，C2...Cn）的cpu。對于CPU的內存模型可以大致按照如下進行分解：

寄存器	編譯器會將本地變量和函數參數分配到這些寄存器上
內存排序緩沖（Memory?Ordering?Buffers）	這些緩沖用于記錄等待緩存子系統時正在執行的操作
L1?緩存	空間最小，訪問速度最快
L2緩存	要作用是作為L1和L3之間的高效內存訪問隊列。L2緩存同時包含數據和指令
L3緩存	在同插槽的所有核心都共享L3緩存。
主內存	在緩存完全沒命中的情況下

簡化之后如下圖所示，計算機在高速的?CPU?和相對低速的存儲設備（內存，RAM）之間使用高速緩存，作為內存和處理器之間的緩沖。將運算需要使用到的數據復制到緩存中，讓運算能快速運行，當運算結束后再從緩存同步回內存之中。

在多處理器的系統中(或者單處理器多核的系統)，每個處理器內核都有自己的高速緩存，它們有共享同一主內存(Main?Memory---RAM)。

Java內存模型和運行時數據區

說完系統的內存模型，然后開始說一下Java的內存模型（Java?Memory?Model，簡稱?JMM）。

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Java語言一大特性就是跨平臺型。其背后的實現便是在Java?虛擬機規范中定義的Java?內存模型（Java?Memory?Model，簡稱?JMM）。

虛擬機通過內存模型，定義了將變量存儲到內存和從內存中取出變量的底層細節（字節碼指令轉換是另一方面），屏蔽掉各種硬件和操作系統的內存訪問差異，實現讓?Java?程序在各種平臺下都能達到一致的內存訪問效果，不必因為不同平臺上的物理機的內存模型的差異，對各平臺定制化開發程序。

上面提到了兩個重要的概念--內存和變量。

先說內存，Java內存模型中的內存分為兩類：主內存(Main?Memory)和工作內存(Working?Memory，又稱本地內存）。其詳情如下：

主內存可以類比成物理硬件的主內存，但此處僅是虛擬機內存的部分。工作內存可以類比成處理器高速緩存

主內存是所有的線程共享，每個線程都有自己的工作內存，屬于線程私有。

一個線程不能訪問另一個線程的工作內存，線程之間需要通過主內存來實現線程間的通信；

線程的工作內存中保存了該線程使用到的變量的主內存副本拷貝，線程對變量的所有的操作（讀取、賦值等）都必須在工作內存中進行，而不能直接讀寫主內存的變量；

如果想理解上面提到的變量(Variables)的提取和存儲。那就需要繼續看一下JVM另一個重要的知識點--運行時數據區。如下圖所示，不同jdk版本的運行時數據區劃分有所差異。但主要分為了五部分：方法區（8開始使用元數據），堆，棧，程序計數器，本地方法棧。細節就不展開講。

內存模型中管理的變量(Variables)則主要指是堆中的數據，它包括了實例字段、靜態字段和構成數值對象的元素，如數組等。但不包括Java方法中局部變量與方法參數，如果局部變量是一個?reference?類型，它引用的對象在?Java?堆中可被各個線程共享，但是?reference?本身在?Java?棧的局部變量表中。

總結一下：Java?運行時數據區和內存模型是不一樣的東西，更確切的說應該是不是同一層次的東西。

1. 內存模型：是定義了線程和主內存之間的抽象關系，更多的是定義規則

2. 運行時數據區域：是指?JVM?運行時將數據分區域存儲，強調對內存空間的劃分。

硬件內存模型和Java內存模型關系

Java內存模型中的主內存和工作內存的區別在于線程調度和共享的區別，而不是物理層面的區別。因此硬是將Java內存模型和硬件內存模型進行映射沒有意義。如果真的有關系，只能說工作內存更多的是CPU寄存器和緩存。當然，工作內存由于上下文切換等原因，也可能會寫回RAM（可以理解為物理內存，嚴謹來說是物理虛擬內存）。

對于運行時數據區而言，有些是隨著虛擬機啟動而創建，虛擬機關閉而銷毀。還有一部分是隨著線程生命周期創建銷毀的。

線程間共享的方法區和堆，是說它們會隨著虛擬機啟動而創建，隨著虛擬機退出而銷毀。而棧和程序計數器會隨著線程開始和結束而創建和銷毀。

正如下圖所示，方法區和堆在RAM中，也可以在緩存中，這也是JVM創建時進行管理的內存空間。

以堆為例，由于對象實例的創建在JVM中非常頻繁，一方面保證并發環境下從堆區中劃分內存空間的線程安全，另一方面提升內存分配的吞吐量。對Eden區域繼續進行劃分，JVM為每個線程分配一個私有緩存區域--本地線程分配緩沖（(Thread?Local?Allocation?Buffer，TLAB）。而這個緩沖則緩存中，而不是RAM中

如前所述，Java內存模型和硬件內存架構是不同的。?線程棧和堆的一部分有時可能存在于CPU高速緩存和內部CPU寄存器中。?

參考資料：

https://jenkov.com/tutorials/java-concurrency/java-memory-model.html

指令重排序 - 簡書

https://www.cnblogs.com/czwbig/p/11127124.html

https://zhuanlan.zhihu.com/p/51613784

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簡單介紹一下什么是“工作內存”和“主內存”（JMM中的概念）_工作內存和主內存-CSDN博客

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