大郎！快起来看多线程啦！贰 / 四六文摘

一杯茶一包烟，一个Bug改一天！!相信很多“爱码仕”都曾经对着电脑几个小时就为改一个bug，最后是在美团小哥指点下修复的。他曾经也是王者，不为别的，就是喜欢送外卖锻炼身体还能远离产品经理和测试。

言归正传，本文还是个不正经的多线程教程，呃...也算不上教程，个人笔记吧。主要解答一下上文留下的两个问题：缓存一致性协议再详细说一下JMM(Java Memory Mode)，最后再讲一下Java对象在堆空间的布局。等等，哪里不对，这不是讲多线程的文章吗？怎么没内味了？稍安勿躁，多线程要写滴，但是写之前，还是要了解一下更深层次的东西，深入原理，方可百战不殆，阿弥陀佛~~

缓存一致性协议

话不多说，咱先拆解一下这7个字。

缓存：不用说了吧，就是为了让读更快嘛。有客户端缓存、服务端缓存、数据库缓存、本地缓存、CDN缓存、分布式缓存、CPU缓存等等等等，而本文主要是针对CPU缓存来介绍的，其他缓存只要你关注（都黑体加粗了，给个三连吧），我会快马加鞭的写。

一致性：在CPU缓存中，这个一致性就是强调在多线程并发场景下CPU的本地缓存和主存中数据的一致性，而这个数据就是指多个线程都要用到的共享数据，即我们常说的临界资源。

协议：更简单了，就是认为规定的东西，让硬件软件都必须准守的规则，让它们必须在给定的框框里工作运行。

到这里就拆解完成了，那么有哪些缓存一致性协议呢？它们由什么来确定的呢？又和我写CRUD有啥关系呢？

首先，缓存一致性协议有很多种，比如：MESI（最常见）、MSI、MOSI、FireFly等等，欢迎大佬们评论区补充。而具体使用哪一种，其实是由CPU架构决定的，也就是说安心写BUG吧，开发人员无需考虑CPU架构的问题，因为我们有JVM（Java Virtual Machine），屏蔽了平台间的差异性解决了跨平台的问题，哪有什么岁月静好，不过是有人在负重前行罢了。但是你要知道这些东西，毕竟我们是互联网的弄潮儿，giao~~~~

接下来还是上图：

这样更直观一些，当CPU1缓存行中有A，B且刚好要对其中的A做修改，CPU2也缓存了同样的缓存行且对A图谋不轨。那这时候就需要工程师来制定协议了：让多颗CPU在同时使用共享数据时，保持数据的一致性，即缓存一致性协议。协议类型前边已经说过了，不同的类型有不同的解决方案。可以通过监听CPU总线的方式实现，也可以在当CPU1修改A时强制其它所有CPU中含有A的缓存行同步更新。具体平台的实现还是看CPU架构

缓存行又是个什么东西？

CPU为了最求极致的代码运行效率。当从内存中读取数据时，并不仅仅只读自己想要的部分。而是读取足够的字节来填入高速缓存行。缓存行的大小通常为2的整数幂，常见的为32字节和64字节。

缓存行带来的是更加高效的数据加载，但同时也带来了缓存行伪共享的问题，还是按上面的图来说：当CPU1只使用A值，CPU2只使用B值，但是由于缓存行的存在且A，B两个值相邻，那么无论哪个CPU修改了自己需要的值，都需要通过总线通知对方做更新操作，这样就影响了效率。解决方案也很简单：以64字节长度缓存行为例，在创建A或者B的时候，在值的前后分别补齐7个Long类型的“占位符”，你问为什么是7个？因为7个Long类型是7*8=56个字节，这样填充之后，无论怎么加载A，B都不会出现在同一个缓存行中，也就规避了伪共享的问题。有关缓存行以及伪共享的额详细介绍请看：https://www.jianshu.com/p/e338b550850f 和 https://blog.csdn.net/u010983881/article/details/82704733

最后补充一张我的图如下：

红色圈代表一个64字节缓存行大小，这样无论怎么加载，都不会存在A，B同时被加载到同一缓存行中。

JMM详解

在上一篇文章中，大概说了JMM是个什么东西，也丢了一张图进去。那么这回我们就再详细一点介绍下什么是JMM（Java Memory Mode），还是要强调一下，它是一种抽象层的规范，而且一定要跟Java运行时内存空间区分开来，两者有联系，但也有很大区别。再把上节的图拿过来说吧（有兴趣可以扫码关注不迷路）：

一句话来说就是：JMM是一种java虚拟机规范（看见没，又是规范，前辈们规定的），其目的是屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，制定了虚拟机与计算机内存交互要遵循的规章制度，让咱们工程师兄弟姐妹们安心写BUG。

从图里可以看出，在JMM的规范中，存在本地工作内存和主内存两个概念，前者是线程私有的后者是线程间共享的，此时你是不是想到了JVM里面的堆、栈、方法区、计数器、常量池等等？没想到就面壁去（看《深入理解Java虚拟机》）。没错，他们之间存在是有若无的关系，但却不是一个层次的概念。因为JVM里面对内存空间的划分是确确实实存在的，而JMM仅仅是抽象规范，指导思想而已。等多线程写完了，再写JVM的文章，会详细介绍内存区域划分。
回到主题接着说JMM，还是抛出以下几个个问题：

什么是工作内存？

存放当前方法的所有本地变量信息，线程中的本地变量对其他线程是不可见的，不同的线程即使用到的是主内存中的同一个共享数据，也都只是拷贝一个副本在自己的工作内存中做操作，最后刷新回主存。因此线程本地内存中的数据是线程私有且线程安全的（其他线程看都看不到能不安全吗？）。

什么是主内存？

主要是存放Java的实例对象，也包括了一些共享的类的信息、常量、静态变量等，被定义为多线程共享的区域。

JMM又是如何规范数据访问的？

线程的运行离不开数据，主内存与工作内存之间的具体交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步到主内存之间的实现细节，JMM定义了八种原子操作来完成。来，我把上面的图升级一下。然后再看个表格。

原子操作	说明
lock(锁定)	作用于主内存变量,标识变量为某个线程的独享状态
read(读取)	作用于主内存变量,将变量值从主存传输到线程的工作内存中
load(载入)	作用于工作内存变量,将read操作得到的变量值放入工作内存的变量副本中
use (使用)	作用于工作内存变量,把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎
assign(赋值)	作用于工作内存变量,它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量
store (存储)	作用于工作内存变量,把工作内存中的一个变量值传送到主内存中,以便随后的write的操作
write (写入)	作用于主内存变量,把store操作从工作内存中一个变量的值传送到主内存的变量中
unlock(解锁)	作用于主内存变量,把一个处于锁定状态的变量释放出,释放后的变量才可以被其他线程锁定

总结一下：前面说的，其实在开发过程中99%的开发人员都用不到，有用得到的大佬，可以留言讨论一波。Volatile通过禁止指令重排以及CPU总线监听机制，解决可见性和有序性问题，Synchronized解决了原子性问题，但是其内部还是存在编译优化的操作，这个后续在Synchronized的专题文章中会详细介绍。关于JMM更多更深入的文章请看：http://ifeve.com/jmm-cookbook/

Java对象在堆空间的排兵布阵

讲多线程，为啥要说对象在堆空间的排布呢？为了知己知彼，也是为了方便理解Synchronized是如何在底层加锁的。而且，不管你会不会，面试的时候肯定问，所以学不学呢？哈哈哈哈...

我们每次新建的对象实例，其实它在堆空间中是被分为三个部分：对象头、实例数据以及对象填充（是不是很熟悉？前面在讲CPU缓存一致性协议的时候有说到缓存行对齐）。所以，很多知识学着学着，就都对上了，从很多CPU级别的微观协议，就能推导出宏观的微服务级别的协议。扯远了，接着说正题！！！对Java象头其实又分为了Mark Word、Class Point和数组长度三部分。

对象头（Object Head）

Mark Word这部分数据的大小为64位，其中数据包含HashCode、GC分代年龄、偏向锁位，锁标志位等，如果是偏向锁还会记录偏向锁偏向的线程ID。而我们熟知的（如果你还不熟知，可以Google一下，或者等我的文章也行）锁升级，锁撤销等等一系列操作，都会在对象头中找到端倪，状态都是一一对应的。你说，这些如果滚瓜烂熟了，还会害怕面试官吗？当然，今天不展开说了，这里只讲布局。
Class Point可以理解为就是一个指针，指向描述这个对象类型的class。在64位系统中占64位，也就是8个字节，而在32位系统只占4个字节。但是为了节省空间（这些研究人员，真是把性能优化到极致，到了我这却....惨不忍睹啊！！！），在JDK1.6以后默认开启指针压缩-XX:+UseCompressedClassPointers，64位系统的也是4位比如问候后边的Student student = new Student();那么这个Class Point就是指向的Student.class，因为这个class的内部具体描述了当前这个对象的内部属性及方法。
数组长度（Array Length）这个好理解，就是如果对象是一个数组对象，那么这里存储的就是数组的长度。非数组对象是没有这块内存区域的，这是在分配内存空间的时候就已经确定了的。

实例数据（Instance Data）

这个也简单，就是你创建的对象真正存储的信息，包括自己内部定义的属性和从父类继承的属性。常见的就是一些String、Integer啥的。这个没啥特别的

对象填充（Padding）

可以理解为占位符，还是基于虚拟机的一些规范，因为Java都是自动内存管理，为了方便管理，生成的对象占用的空间必须为8字节的整数倍，如果不足整数倍就补空白空间，避免在垃圾回收的时候产生不必要的内存空间碎片，增加垃圾回收的压力。

注：以上数据均默认在64位系统中，32位系统，看官们可以自己测一下，虚拟机均指HotSport
下面用一张图，展示一下对象在堆空间的排布状况：

嗯~nice，可是口说无凭，咱们上代码，在new个阿猫阿狗的看看到底各个部分占用的空间情况吧。

引入依赖jol-core

openjdk提供的依赖jar，可以协助我们查看堆中对象各个模块占用的空间大小

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.9</version>
</dependency>

上代码

/**
 * FileName: JavaObjectMode
 * Author:   RollerRunning
 * Date:     2020/11/28 7:12 PM
 * Description:查看Java对象在内存中的布局
 */
public class JavaObjectMode {
    public static void main(String[] args) {
        //创建对象
        Student student = new Student();
        // 获得对象布局内容
        String s = ClassLayout.parseInstance(student).toPrintable();
        // 打印对象布局
        System.out.println(s);
    }
}

class Student{
    private String name;
    private String address;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getAddress() {
        return address;
    }

    public void setAddress(String address) {
        this.address = address;
    }
}

上结果

大家有兴趣也可以CV一下，自己看看。

那结果有了，重点已经圈出来了，分析一波吧？别往下看了，自己先看看，再想十秒钟。1，2，3，4，5，6，7，8，9，10。好，分析开始！

第一个圈，圈出来的是对象头的内容，依次往下是对象的值和一行英文(loss due to the next object alignment)表示对齐填充，增加了一个4字节的填充，刚好是24字节，能够被8整除，满足了虚拟机规范，这就是对齐填充价值所在。而后边的红圈圈则是当前对象的一个概况，没啥意义，就是想画个圈（画错了又懒得改而已.....），回到第一个圈圈对象头，前两行一共是8字节，64位的Mark Word。而OFFSET从8开始size为4的那一行就是前面说的Class Point。

好了，我肝完了，最后卖个关子，请注意一下最后一列的前三行，下一篇文章会根据这三行结合Synchronized关键字展开说。

最后，感谢各位观众老爷，还请三连！！！
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