Java 的内存模型（JMM）介绍
JMM 核心定义和作用
Java 内存模型（Java Memory Model，JMM）是 Java 虚拟机规范中定义的一种抽象概念，它规定了多线程环境下，线程如何与内存进行交互。
JMM 的核心作用：
- 定义程序中各个变量的访问规则
- 确保多线程程序的可见性、有序性和原子性
- 屏蔽不同硬件平台和操作系统的内存访问差异
JVM 和 JMM 的区别
说到 JMM，我们不得不提到它经常被人所搞混淆的另一个概念 JVM，我们用一张表来直观表现出它们的区别。
JVM 内存结构 | Java 内存模型 | |
| 核心关注点 | 数据存储的物理/逻辑分区 | 线程与内存的交互规则 |
| 内容 | 堆、栈、方法区等内存区域 | 主内存、工作内存抽象概念 |
| 目的 | 内存分配与管理 | 多线程内存可见性控制 |
JMM 核心概念
主内存和工作内存
- 主内存：所有线程共享的内存区域，存储所有实例字段、静态字段和数组元素
- 工作内存：每个线程私有的内存空间，存储线程使用变量的副本
当某个线程需要使用到内存中的变量时，他会先从主内存中复制一份该变量的副本到自己的工作内存当中，使用完后再将该变量写入主内存的共享内存中。
内存间的交互操作
- lock/unlock：作用于主内存，标识变量为线程独占状态
- read/load：从主内存读取变量到工作内存
- use/assign：工作内存中使用和赋值操作
- store/write：将工作内存变量写回主内存
内存三大特性
原子性
核心概念：原子性指一个操作或一系列操作要么全部执行成功，要么全部不执行，不会出现执行到一半的状态。
// 原子操作示例
int x = 10; // 原子的：一次性赋值
boolean flag = true; // 原子的
// 非原子操作示例
int i = 0;
i++; // 非原子的，实际包含 3 个步骤：
// 1.读取 i 的值到寄存器
// 2.寄存器值加 1
// 3.写回内存
可见性
核心概念：可见性指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即看到修改后的值。
private boolean running = true; // 主内存中的变量
public void run() {
while (running) { // 工作内存中的副本
// 看不到 running 被改为 false
}
}
public void stop() {
running = false; // 修改主内存，但工作内存可能没更新
}
有序性
核心概念：有序性指程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。但在多线程或优化环境下，指令可能被重排序。
重排序原因：
- 编译器优化重排序
- 处理器指令级并行重排序
- 内存系统重排序
private int x = 0;
private boolean flag = false;
// 线程 1 执行
public void writer() {
x = 42; // 1
flag = true; // 2 可能被重排到 1 之前！
}
// 线程 2 执行
public void reader() {
if (flag) { // 3
System.out.println(x); // 可能输出 0 而不是 42！
}
}
Happens-Before 规则
Happens-Before 规则介绍
Happens-Before是 JMM 的核心概念，它定义了两个操作之间的偏序关系：
- 如果操作 A happens-before 操作 B
- 那么 A 的所有写操作对 B 的读操作都是可见的
有点难看懂，我们用一个简单的例子就能快速理解
// 核心：happens-before ≠ 时间先后
int x = 0;
int y = 0;
// 时间上：先执行 1，后执行 2
x = 1; // 1
y = x + 1; // 2
// 逻辑上：1 happens-before 2
// 所以 2 一定能看到 1 写入的值
A happens-before B 翻译过来就是：A 对 B 可见。
六大 happens-before 规则
- 程序次序规则：**线程内,**按照程序代码顺序，前面的操作 happens-before 后面的操作。
- 监视器锁规则：对一个锁的解锁操作 happens-before 后续对这个锁的加锁操作。
- volatile 变量规则：对一个 volatile 变量的写操作 happens-before 后续对这个变量的读操作。
- 线程启动规则：Thread 对象的start()方法调用 happens-before 该线程的每一个动作。
- 线程终止规则：线程中的所有操作 happens-before 其他线程检测到该线程已经终止
- 传递性规则：如果 A happens-before B，且 B happens-before C，那么 A happens-before C
volatile 关键字
核心概述：volatile是一个重要的关键字，用于告知编译器某个变量的值可能会被程序外部的因素意外修改，从而避免编译器对该变量进行优化。它的主要作用是确保每次访问变量时都从内存中读取最新的值，而不是使用寄存器中的缓存值。
volatile 提供了两大保证：
- 可见性：修改立即对所有线程可见
- 有序性：禁止指令重排序
private volatile boolean flag = false;
private int count = 0;
public void writer() {
count = 42; // 普通写操作
flag = true; // volatile 写操作
}
public void reader() {
if (flag) { // volatile 读操作
// 这里一定能看到 count=42
System.out.println(count);
}
}
JMM 的常见误区
volatile 无法保证原子性
volatile 可以保证可见性和有序性，但和 synchronized 不一样，不能保证原子性
// 错误：以为 volatile 能保证原子性
volatile int count = 0;
count++; // 非原子操作
// 正确：使用原子类或同步
AtomicInteger atomicCount = new AtomicInteger(0);
atomicCount.incrementAndGet();
指令重排序的陷阱
// 可能由于重排序导致问题
int a = 0;
boolean flag = false;
// 线程 1
a = 1; // 1
flag = true; // 2 可能重排到 1 之前
// 线程 2
if (flag) {
System.out.println(a); // 可能输出 0
}
此时我们需对 flag 使用 volatile 关键字修饰即可保证在 a 赋值后再执行 flag=true 操作。
