java 内存交互模型-JMM

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#java #开发语言 #JVM #内存模型

Java 内存交互模型

Java 内存交互模型（Java Memory Model, JMM）定义了线程如何与内存交互，确保多线程环境下的可见性、有序性和原子性。以下是其核心组成部分和工作原理：

主内存与工作内存

主内存（Main Memory）：存储所有共享变量（实例字段、静态字段等），所有线程均可访问。
工作内存(Working Memory)：每个线程私有的内存空间，存储该线程对共享变量的副本。线程对变量的操作必须在工作内存中进行，不能直接读写主内存。

内存交互操作

JMM 通过以下 8 种原子操作控制主内存与工作内存的交互：

lock（锁定）：作用于主内存变量，标记为线程独占状态。
unlock（解锁）：释放主内存变量的锁定状态。
read（读取）：从主内存传输变量值到工作内存。
load（载入）：将 read 得到的值放入工作内存的变量副本。
use（使用）：将工作内存变量值传递给执行引擎（如计算）。
assign（赋值）：将执行引擎返回的值赋给工作内存变量。
store（存储）：将工作内存变量值传送到主内存。
write（写入）：将 store 传输的值写入主内存变量。

操作规则

顺序性：read/load 和 store/write 必须成对且按顺序执行。
同步约束：
- 变量必须从主内存 read/load 后才能 use。
- assign 后必须 store/write 回主内存。
- 同一变量不允许连续多次 lock，必须 unlock 后才能再次 lock。

可见性保证

通过以下机制确保线程间变量的可见性：

volatile 关键字：强制变量的读写直接作用于主内存，当一个线程修改了volatile 变量的值，其他线程能够立即看到这个修改。禁止指令重排序，volatile变量的读写操作不会被编译器或者处理器重排序，确保了程序的有序性。
synchronized 关键字：通过 lock/unlock 操作保证代码块内变量的独占访问。
final 关键字：正确初始化的 final 字段对其他线程可见。final字段的初始化发生在构造函数结束之前，值不可改变。

指令重排序

JMM 允许编译器和处理器对指令重排序以提高性能，但需遵守 happens-before 规则：

程序顺序规则：同一线程内操作按代码顺序执行。
锁规则：unlock 操作先于后续的 lock 操作。
volatile 规则：volatile 写操作先于后续的读操作。
传递性：若 A happens-before B，B happens-before C，则 A happens-before C。

示例代码

public class MemoryModelDemo {
    private volatile int sharedVar = 0; // 保证可见性

    public void update() {
        sharedVar = 1; // assign-store-write 直接同步到主内存
    }

    public int read() {
        return sharedVar; // read-load-use 从主内存读取最新值
    }
}

原子性

Java内存模型保证了基本数据类型的读写操作是原子性的，但对于64位的long和double类型，在某些平台上可能会发生“指令重排序”或“部分更新”，导致非原子性操作。为了确保原子性，可以使用synchronized关键字或java.util.concurrent.atomic包中的类

happens-before 原则

Java 内存模型（JMM）中用于描述操作之间可见性关系的核心概念。它定义了一个偏序关系，确保在多线程环境中，某些操作的结果对其他操作可见。如果操作 A happens-before 操作 B，那么 A 对内存的修改对 B 可见。

happens-before 的规则

程序顺序规则
同一个线程中的每个操作 happens-before 该线程中任意后续的操作。即单线程内的操作按代码顺序执行。
监视器锁规则
对一个锁的解锁 happens-before 随后对这个锁的加锁。这是 synchronized 和 ReentrantLock 等锁机制的基础。
volatile 变量规则
对一个 volatile 域的写操作 happens-before 任意后续对这个 volatile 域的读操作。volatile 保证了变量的可见性。
线程启动规则 线程的启动操作happens-before该线程中的任何操作
线程终止规则 线程中的所有操作happens-before该线程的终止检测。
传递性规则
如果操作 A happens-before 操作 B，操作 B happens-before 操作 C，那么操作 A happens-before 操作 C。

happens-before 的示例

以下是一个简单的示例，展示了 volatile 变量的 happens-before 关系：

class Example {
    volatile int x = 0;
    int y = 0;

    void writer() {
        y = 1;  // 操作 1
        x = 2;  // 操作 2（volatile 写）
    }

    void reader() {
        if (x == 2) {  // 操作 3（volatile 读）
            System.out.println(y);  // 操作 4
        }
    }
}

在这个例子中：