JMM - java内存模型（简单了解）

Y第五个季节

已于 2025-02-24 19:22:07 修改

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分类专栏：并发编程文章标签： java 开发语言

于 2025-02-24 18:30:48 首次发布

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JMM是什么。本文计划从定义、背景、解决的问题、功能、优缺点、替代方案。从这几个角度去简单了解一下。

JMM（Java 内存模型） 是 Java 虚拟机规范中定义的一套抽象规则，用于规范多线程环境下共享变量的访问方式，确保程序在不同硬件和操作系统上具有一致的并发行为。

出身背景：
在早期，不同硬件（如 CPU 缓存架构）和操作系统对内存访问的支持存在差异，导致同一 Java 程序在不同平台上可能因线程安全问题（如缓存不一致、指令重排序）出现错误。JMM 的提出旨在 屏蔽底层差异，实现“一次编写，到处运行”的目标，并解决并发编程中的 可见性、原子性、有序性 问题。

JMM 围绕以下三大并发问题展开：

可见性问题：
- 线程对共享变量的修改可能因缓存未刷新而未被其他线程感知。
- 解决方案：通过内存屏障强制主内存与线程本地内存的同步（如 volatile 变量）。
原子性问题：
- 多线程对共享变量的复合操作（如 i++）可能被中断，导致数据不一致。
- 解决方案：通过锁（synchronized）或原子类（如 AtomicInteger）保证操作的不可分割性。
有序性问题：
- 编译器和处理器可能对指令重排序以优化性能，但破坏多线程程序的逻辑正确性。
- 解决方案：通过内存屏障和 Happens-Before 规则限制重排序。

JMM 的核心功能是定义 线程与主内存的交互规则，具体实现包括：

主内存与工作内存的抽象：
- 主内存存储所有共享变量，线程通过本地内存（抽象概念，包含缓存、寄存器等）操作变量的副本。
- 线程间通信必须通过主内存完成，即线程 A 修改变量后需刷新到主内存，线程 B 再从主内存读取。
内存屏障与 Happens-Before 规则：
- 内存屏障：禁止特定类型的指令重排序（如 volatile 写操作插入 StoreStore 屏障）。
- Happens-Before 规则：定义操作间的可见性顺序（如锁的释放 Happens-Before 锁的获取）。
同步原语支持：
- synchronized、volatile、final 等关键字及 Lock 接口实现内存可见性和有序性。

优点：
1. 跨平台一致性：屏蔽硬件差异，确保多线程程序在不同平台行为一致。
2. 简化并发编程：通过抽象模型（如 Happens-Before）隐藏底层复杂性，开发者无需直接处理缓存一致性或指令重排序。
3. 灵活性：支持多种同步机制（如锁、原子类）以适应不同场景。
缺点：
1. 理解成本高：Happens-Before 规则和内存屏障的实现细节复杂，易导致误用。
2. 性能开销：锁和内存屏障可能引入额外开销（如线程阻塞、缓存刷新）。
3. 弱一致性模型：未完全禁止指令重排序，需开发者显式控制同步。

JMM 是 Java 并发编程的核心模型，但其他语言或框架提供了不同的并发模型：

C++ 内存模型：
提供更底层的内存序控制（如 std::memory_order），灵活性更高但复杂度更大。
消息传递模型：
如 Erlang 的 Actor 模型或 Go 的 Channel 机制，通过消息传递而非共享内存实现线程安全，减少锁竞争和内存可见性问题。
硬件内存模型：
部分高性能计算场景直接使用硬件级内存模型（如 GPU 的 CUDA），但牺牲跨平台性。