JVM 内存模型（JMM, Java Memory Model）详解

JVM 内存模型（JMM, Java Memory Model）详解

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一、JMM 的核心概念

1. 什么是 JMM？

• Java 内存模型（JMM） 是 Java 虚拟机（JVM）定义的一套规范，用于解决多线程环境下的内存可见性、原子性和有序性问题。
• 它屏蔽了不同硬件架构（如 x86、ARM）的内存访问差异，确保 Java 程序在不同平台上表现一致。

2. JMM 的作用

• 保证多线程安全：防止线程间数据竞争和内存不一致问题。
• 提供原子性、可见性和有序性：
  • 原子性：操作不可分割（如 i++ 不是原子操作）。
  • 可见性：一个线程修改变量后，其他线程能立即看到最新值。
  • 有序性：程序执行的顺序符合代码逻辑（避免指令重排序）。

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二、JMM 的核心机制

1. 主内存（Main Memory）与工作内存（Working Memory）

• 主内存：所有线程共享的内存区域，存储 Java 变量的实际值（对应 JVM 堆中的对象实例数据）。
• 工作内存：每个线程私有的内存区域，存储主内存中变量的副本（类似 CPU 的寄存器或缓存）。
  • 线程操作变量：
    1. 从主内存读取变量到工作内存。
    2. 在工作内存中修改变量。
    3. 将修改后的值写回主内存。

2. 内存间的交互操作（8 种原子指令）

JMM 定义了线程与主内存之间的交互操作，确保数据同步：

操作	作用
read	从主内存读取变量到工作内存（仅读取，不修改）。
load	将 read 读取的值放入工作内存的变量副本。
use	将工作内存的变量值传递给执行引擎（如方法调用）。
assign	将执行引擎的值赋给工作内存的变量（如 i = 10）。
store	将工作内存的变量值写入主内存（仅写入，不读取）。
write	将 store 写入的值更新到主内存的变量。
lock	锁定主内存的变量（独占访问）。
unlock	解锁主内存的变量（释放独占访问）。

3. 三大特性

（1）原子性（Atomicity）

• 定义：一个操作或一组操作要么全部执行完成，要么完全不执行。
• JMM 保证的原子性：
  • 基本数据类型的读写（如 int、long，但 long 和 double 在 32 位 JVM 上可能非原子）。
  • volatile 变量的读写（仅保证单个变量的原子性）。
  • synchronized 块内的代码（复合操作的原子性）。
• 非原子操作示例：

  i++;  // 实际是 read -> load -> use -> assign -> store -> write 的组合操作
  

（2）可见性（Visibility）

• 定义：一个线程修改共享变量后，其他线程能立即看到最新值。
• JMM 如何保证可见性：
  • volatile 关键字：强制刷新工作内存到主内存，并禁止指令重排序。
  • synchronized：进入同步块时清空工作内存，退出时刷新主内存。
  • final：正确构造的对象引用对其他线程立即可见。

（3）有序性（Ordering）

• 定义：程序执行的顺序符合代码逻辑（避免指令重排序）。
• JMM 如何保证有序性：
  • 单线程内有序：编译器和处理器会优化代码顺序（as-if-serial 语义），但结果不变。
  • 多线程间有序：
    • volatile：禁止指令重排序（通过插入内存屏障）。
    • synchronized：同步块内的代码按顺序执行。
    • `happens-before 规则**（见下文）。

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三、happens-before 规则

JMM 通过 happens-before 规则 定义多线程操作的先后顺序，确保程序的正确性。常见规则：

1. 程序次序规则：单线程内代码按书写顺序执行（as-if-serial）。
2. 监视器锁规则：unlock 操作 happens-before 后续的 lock 操作。
3. volatile 变量规则：volatile 写操作 happens-before 后续的 volatile 读操作。
4. 传递性：A happens-before B，B happens-before C ⇒ A happens-before C。
5. 线程启动规则：Thread.start() happens-before 子线程的任何操作。
6. 线程终止规则：子线程的所有操作 happens-before Thread.join() 的返回。

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四、JMM 与并发编程

1. 常见并发问题

问题	原因	解决方案
可见性问题	线程修改变量后未刷新到主内存，其他线程读到旧值。	使用 volatile 或 synchronized。
原子性问题	复合操作（如 i++）被拆分为多个步骤，导致竞争。	使用 synchronized 或 AtomicInteger。
有序性问题	编译器/处理器重排序导致逻辑错误（如双重检查锁问题）。	使用 volatile 或 final。

2. 关键关键字

关键字	作用	适用场景
volatile	保证可见性和禁止指令重排序（不保证复合操作的原子性）。	单次读写、状态标志（如 boolean flag）。
synchronized	保证原子性、可见性和有序性（互斥锁）。	复合操作（如 i++）、临界区保护。
final	保证对象构造完成后对其他线程可见（需正确初始化）。	不可变对象、线程安全设计。

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五、JMM 与硬件内存模型

1. 硬件内存模型（如 x86、ARM）

• 现代 CPU 有多级缓存（L1/L2/L3），可能导致：
  • 可见性问题：线程 A 修改缓存中的数据，线程 B 可能读到旧值。
  • 有序性问题：CPU 可能重排序指令以提高性能（通过内存屏障禁止重排序）。

2. JMM 如何适配硬件

• JMM 通过**内存屏障（Memory Barrier）**屏蔽硬件差异：
  • 写屏障（Store Barrier）：确保数据写入主内存。
  • 读屏障（Load Barrier）：确保从主内存读取最新数据。
  • 插入位置：在 volatile、synchronized 等关键操作前后插入屏障。

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六、总结

核心概念	说明
主内存与工作内存	线程通过工作内存操作变量，最终同步到主内存。
三大特性	原子性、可见性、有序性（通过 volatile、synchronized 等保证）。
happens-before	定义多线程操作的先后顺序，避免数据竞争。
硬件适配	通过内存屏障解决 CPU 缓存和指令重排序问题。

关键实践：

1. 多线程共享变量优先使用 volatile 或 synchronized。
2. 避免直接依赖 final 的可见性（需正确构造对象）。
3. 使用并发工具类（如 AtomicInteger、ConcurrentHashMap）替代手动同步。

示例代码：

// 正确使用 volatile 保证可见性
class Counter {
    private volatile int count = 0;

    public void increment() {
        count++;  // 仍非原子操作（需用 AtomicInteger 或 synchronized）
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}