计算机的缓存模型

解决问题
cpu缓存是为了减少处理器访问内存所需平均时间的部件。
在金字塔式存储体系中它位于自顶向下的第二层，仅次于CPU寄存器。
其容量远小于内存，但交换速度却比内存快得多。

步骤
当处理器发出内存访问请求时，会先查看缓存内是否有请求数据。
如果存在（命中），则不经访问内存直接返回该数据；如果不存在（失效），则要先把内存中的相应数据载入缓存，再将其返回处理器。

原理
缓存之所以有效，主要是因为程序运行时对内存的访问呈现局部性（Locality）特征。
这种局部性既包括空间局部性（Spatial Locality），也包括时间局部性（Temporal Locality）。
有效利用这种局部性，缓存可以达到极高的命中率。

java(线程)内存模型

java 线程内存模型跟cpu缓存模型非常相似，是基于cpu缓存模型来建立的，
并且java线程内存模型是标准化的，屏蔽掉了底层不同计算机的区别。
需要注意的是，线程i是直接和他的工作内存进行通信的 工作内存在初始化的时候，将主内存的各个共享变量加载到工作内存。

各种常用的原子操作

        + lock(锁定)：作用于主内存，它把一个变量标记为一条线程独占状态；

+ read(读取)：作用于主内存，它把变量值从主内存传送到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用；

+ load(载入)：作用于工作内存，它把read操作的值放入工作内存中的变量副本中；

+ use(使用)：作用于工作内存，它把工作内存中的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用这个变量的指令时候，将会执行这个动作；

+ assign(赋值)：作用于工作内存，它把从执行引擎获取的值赋值给工作内存中的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的指令时候，执行该操作；

+ store(存储)：作用于工作内存，它把工作内存中的一个变量传送给主内存中，以备随后的write操作使用；

+ write(写入)：作用于主内存，它把store传送值放到主内存中的变量中。

+ unlock(解锁)：作用于主内存，它将一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才能够被其他线程锁定；
    

下面是一个典型的volalite的执行过程

多处理器环境下，缓存不一致问题的两种解决方法

总线加锁（早期，性能低）：cpu从主内存读取数据到高速缓存，会在总线对这个数据加锁，这样其他的cpu就没法去读或者去写这个数据，
直到这个cpu使用完数据释放锁后，其他cpu才能进行读取。
MESI缓存一致性协议：多个cpu从主内存读取同一个数据到各自的高速缓存，当其中某个cpu修改了缓存里的数据的时候，
该数据会马上同步到主内存，其他cpu会通过总线嗅探机制（jian ting）感知数据的变化，
从而设置自己的缓存里的数据为失效状态。

JMM解决缓存不一致：volatile底层实现原理

底层主要通过汇编lock前缀指令，它会锁定这块内存区域的缓存并写回到主内存

IA-32架构软件开发手册对lock指令的解释：
1.会将当前处理器缓存行的数据立即写回到系统内存。
2.这个写回内存的操作会引起在其他cpu里面缓存了该内存地址的数据无效。
如果在lock指令执行的时候，有其他的读操作，或者写操作，会出现不一致，又如何解决？
加上一把非常细力度的锁

就是说：volatile 是轻量级的锁，它不会引起线程上下文的切换和调度。
足够轻量，只是锁住一条内存赋值指令。

volatile的特点

volatile可以保证可见性，但是不能保证原子性

可见性：对一个volatile的读，总是可以看到对这个变量最终的写.
(并非是修改了之后，会"通知"其他线程去取最新的数据，而是下一次有线程取这个数据的时候，
禁止他们从自己的线程缓存中取数据，直接到原始的内存去取最新值。)

原子性：volatile对单个读 / 写具有原子性（32 位 Long、Double），但是复合操作除外，例如i++ 。

具体来讲一个这样的场景：有两个线程一起做i++的操作，由于volatile的实现原理，
其中一个在执行lock指令的时候，会使得其他cpu里面缓存了该内存地址的数据失效。（但是其他的cpu可能已经做完了这个i++操作）
这样不就让其他cpu做的操作失效了嘛。 如何解决呢？ 使用synchronize.

有序性：JVM 底层采用“内存屏障”来实现 volatile 语义，防止指令重排序。

指令重排是指在程序执行过程中, 为了性能考虑, 编译器和CPU可能会对指令重新排序.
“内存屏障”:简单理解：有lock之后，cpu就不会把后面的语句优化到前面；前面的语句优化到后面。

原文：https://www.cnblogs.com/whyaza/p/12329483.html