什么是 Java 的内存模型?_java内存模型-优快云博客

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Java 内存模型（Java Memory Model, JMM）是 Java 虚拟机（JVM）规范中定义的一种抽象模型，用于描述多线程环境下，线程如何与内存交互，以及如何保证线程之间的可见性、有序性和原子性。JMM 是 Java 并发编程的基础，它定义了线程如何访问共享变量，以及如何通过同步机制（如 volatile、synchronized 等）来协调线程之间的操作。

Java 内存模型的核心概念

1. 主内存与工作内存

主内存（Main Memory）：
- 主内存是所有线程共享的内存区域，存储了所有的变量（实例字段、静态字段等）。
工作内存（Working Memory）：
- 每个线程都有自己的工作内存，工作内存是线程私有的，存储了线程对主内存中变量的副本。
- 线程对变量的所有操作（读取、赋值等）都必须在工作内存中进行，而不能直接操作主内存。

2. 内存间的交互操作

JMM 定义了以下 8 种操作来完成主内存与工作内存之间的交互：

lock（锁定）：作用于主内存的变量，标识一个变量为线程独占状态。
unlock（解锁）：作用于主内存的变量，释放一个被锁定的变量。
read（读取）：从主内存中读取变量的值到工作内存。
load（载入）：将 read 操作读取的值放入工作内存的变量副本中。
use（使用）：将工作内存中的变量值传递给执行引擎（如 CPU）。
assign（赋值）：将执行引擎计算的结果赋值给工作内存中的变量。
store（存储）：将工作内存中的变量值传送到主内存。
write（写入）：将 store 操作传送的值写入主内存的变量中。

这些操作需要满足一定的规则，例如：

read 和 load、store 和 write 必须成对出现。
不允许一个线程丢弃最近的 assign 操作（即变量在工作内存中改变了之后必须同步到主内存）。
不允许一个线程无原因地（没有发生过任何 assign 操作）把数据从工作内存同步回主内存。

3. 可见性（Visibility）

可见性是指一个线程对共享变量的修改，能够及时被其他线程看到，它通过内存屏障（Memory Barrier）实现。
JMM 通过以下机制保证可见性：
- volatile 关键字：确保变量的修改对所有线程立即可见。
- synchronized 关键字：在释放锁之前，会将工作内存中的变量同步到主内存。
- final 关键字：确保变量在构造完成后对其他线程可见。

内存屏障：
写屏障（Store Barrier）：确保当前线程的写操作（对主内存的写操作）在此屏障之前完成，(它会立刻把这个修改同步到主内存中)。
读屏障（Load Barrier）：确保当前线程的读操作在此屏障之后完成。
在 volatile 变量上操作时，JVM 会插入写屏障和读屏障，以确保变量在不同线程之间的可见性。这样，当一个线程更新了 volatile 变量，另一个线程立刻能看到更新。

4. 有序性（Ordering）

有序性是指程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。
JMM 通过以下机制保证有序性：
- volatile 关键字：禁止指令重排序，确保变量的读写操作按顺序执行。
- synchronized 关键字：确保同一时刻只有一个线程执行同步代码块。
- happens-before 规则：定义了一些操作之间的先后顺序，确保前一个操作的结果对后一个操作可见。

5. 原子性（Atomicity）

原子性是指一个操作是不可分割的，要么全部执行成功，要么全部不执行。
JMM 通过以下机制保证原子性：
- synchronized 关键字：确保同步代码块的原子性。
- java.util.concurrent.atomic 包：提供了一些原子类（如 AtomicInteger），通过 CAS（Compare-And-Swap）操作保证原子性。

`happens-before` 规则

happens-before 是 JMM 的核心规则之一，用于定义操作之间的可见性和顺序。以下是常见的 happens-before 规则：

程序顺序规则：在一个线程中，前面的操作 happens-before 后面的操作。
volatile 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。
锁规则：解锁操作 happens-before 后续的加锁操作。
线程启动规则：线程的 start() 方法 happens-before 该线程的任何操作。
线程终止规则：线程的所有操作 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。

Java 内存模型的作用

屏蔽硬件差异：
- JMM 定义了统一的内存模型，屏蔽了不同硬件和操作系统在内存访问上的差异。
保证线程安全：
- 通过 volatile、synchronized 等机制，确保多线程环境下的可见性、有序性和原子性。
优化编译器指令重排序：
- JMM 允许编译器和处理器对指令进行重排序，但必须遵守 happens-before 规则，确保程序执行结果的正确性。

示例：`volatile` 关键字的作用

public class VisibilityExample {
    private volatile boolean flag = false;

    public void writer() {
        flag = true; // 写操作
    }

    public void reader() {
        while (!flag) { // 读操作
            // 等待
        }
        System.out.println("Flag is true");
    }
}