先看一张图，直接理解CPU与内存、硬盘之间的关系。

简单来说，使用缓存是为了提高效率，跟平时我们在项目中使用Redis缓存是一个道理，都是为了提升效率。

因为 CPU 的频率太快了，而若是没有缓存，直接读取内存中的数据又太慢了，我们不想让 CPU 停下来等待，所以加入了一层读取速度大于内存但小于 CPU 的这么一层东西，这就是缓存。

加入缓存之后，CPU 需要数据就问缓存要，缓存没有就从主存中读取，并保留一份在缓存中。下次读取就从缓存中读取，加快速度。

MESI缓存一致性协议

加入缓存之后，那么就会带来数据一致性的问题，如果在单线程的环境数据一致性是没有问题的，但是在多线程环境中就很难保证数据的一致性了。为了解决这个问题，CPU引入了一个数据一致性的协议，这个协议叫MESI。

概念

MESI（Modified Exclusive Shared Or Invalid）(也称为伊利诺斯协议，是因为该协议由伊利诺斯州立大学提出）是一种广泛使用的支持写回策略的缓存一致性协议。

MESI 为了保证多个缓存中共享数据的一致性，定义了缓存行（cache line） 的四种状态，而线程对 cache line 的四种操作可能会产生不一致的状态，因此缓存控制器监听到本地操作和远程操作的时候，需要对地址一致的 cache line 状态进行一致性修改，从而保证数据在多个缓存之间保持一致性。(M: modified E: Exclusive S: shared I: invalid)

CPU 中每个缓存行（caceh line）使用 4 种状态进行标记：

M: 被修改（Modified)

该缓存行只被缓存在该CPU的缓存中，并且是被修改过的（dirty),即与主存中的数据不一致，该缓存行中的内存需要在未来的某个时间点（允许其它CPU读取请主存中相应内存之前）写回（write back）主存。

当被写回主存之后，该缓存行的状态会变成独享（exclusive)状态。

E: 独享的（Exclusive)

该缓存行只被缓存在该CPU的缓存中，它是未被修改过的（clean)，与主存中数据一致。该状态可以在任何时刻当有其它CPU读取该内存时变成共享状态（shared)。

同样地，当CPU修改该缓存行中内容时，该状态可以变成Modified状态。

S: 共享的（Shared)

该状态意味着该缓存行可能被多个CPU缓存，并且各个缓存中的数据与主存数据一致（clean)，当有一个CPU修改该缓存行中，其它CPU中该缓存行可以被作废（变成无效状态（Invalid））。

讯享网

I: 无效的（Invalid）

该缓存是无效的（可能有其它CPU修改了该缓存行）。

MESI状态转换图

JMM即Java的内存模型（Java Memory Model）

JMM是一种规范，目的是解决由于多线程通过共享内存进行通信时，存在的本地内存数据不一致、编译器会对代码指令重排序、处理器会对代码乱序执行等带来的问题。

Java内存模型中规定了所有的变量都存储在主内存中，每个线程有自己的工作内存（类比缓存理解），线程的工作内存中保存了该线程使用到主内存中的变量拷贝，线程对变量的所有操作（读取、赋值）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。不同线程之间无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值的传递（通信）均需要在主内存来完成。

这个图就是JMM的模型图。同样的道理我们要思考一下在多线程的环境中，JMM 又是如何保证主内存和工作内存中的变量一致性？在CPU中使用 MESI 协议来保证数据的一致。那么在Java 内存模型就定义了 8 种操作和 8 个规则。

如果要把一个变量从主内存中复制到工作内存，就需要按顺序地执行 read 和 load 操作，如果把变量从工作内存同步回主内存中，就要按顺序地执行 store 和 write 操作。Java 内存模型只要求上述操作必须按顺序执行，而没有保证必须是连续执行。

也就是 read 和 load 之间，store 和 write 之间是可以插入其他指令的，如对主内存中的变量 a、b 进行访问时，可能的顺序是 read a，read b，load b， load a。Java 内存模型还规定了在执行上述八种基本操作时，必须满足如下规则：

JVM在执行代码指令的时候为了优化执行效率，可能会对一些代码指令进行优化重新排序。

程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

在虚拟机的概念模型里，字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

如果线程正在执行的是一个 Java 方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是 natvie 方法，这个计数器值则为空（Undefined）。

此内存区域是唯一一个在 Java 虚拟机规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。

Java 虚拟机栈

与程序计数器一样，Java 虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是 Java 方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

在 Java 虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出 StackOverflowError 异常；当无法申请到足够的内存时会抛出 OutOfMemoryError 异常。

本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的 native 方法服务。

与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 异常。

Java 堆

对于大多数应用来说，Java 堆是 Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java 堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例以及数组都要在堆上分配内存。

根据 Java 虚拟机规范的规定，Java 堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出 OutOfMemoryError 异常。

方法区

方法区与 Java 堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。根据 Java 虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出 OutOfMemoryError 异常。

运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分。

Class 文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，还有一项信息是常量池，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。

既然运行时常量池是方法区的一部分，自然会受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出 OutOfMemoryError 异常。

最后，感谢阅读~