java内存模型

zhglhy

于 2025-03-11 13:16:07 发布

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文章标签： java 开发语言

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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，线程如何与主内存和工作内存交互，以及如何保证线程之间的可见性、有序性和原子性。JMM是理解Java并发编程的基础，尤其是在多线程环境下，如何正确同步共享数据。

1. Java内存模型的核心概念

（1）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）。
主内存是JVM堆内存的一部分。

（2）工作内存（Working Memory）

每个线程都有自己的工作内存，存储了该线程使用的变量的副本。
工作内存是线程私有的，可能是CPU缓存或寄存器。

（3）内存交互操作

JMM定义了以下8种操作来实现主内存和工作内存之间的交互：

lock（锁定）：作用于主内存变量，标识变量为线程独占状态。
unlock（解锁）：作用于主内存变量，释放锁定状态。
read（读取）：从主内存读取变量到工作内存。
load（加载）：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。

2. Java内存模型的三大特性

（1）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保证对基本数据类型的读写操作是原子的（如int、boolean等）。
对于long和double类型，在32位JVM上可能不是原子的，需要使用volatile关键字保证原子性。

（2）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。
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刷新到主内存。
- final关键字：确保变量在构造完成后对其他线程可见。

（3）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。
- 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原则：定义了一系列规则，确保某些操作的有序性。

3. Happens-Before原则

Happens-Before是JMM中定义的一组规则，用于描述多线程环境下操作之间的可见性和有序性。以下是Happens-Before的主要规则：

程序顺序规则：在一个线程内，代码的执行顺序按照程序的书写顺序执行。
锁规则：一个unlock操作先行发生于后续对同一个锁的lock操作。
volatile规则：对一个volatile变量的写操作先行发生于后续对这个变量的读操作。
线程启动规则：Thread.start()先行发生于线程内的任何操作。
线程终止规则：线程中的所有操作先行发生于线程的终止检测（如Thread.join()）。
传递性规则：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。

4. Volatile关键字

volatile是JMM中用于保证可见性和有序性的关键字。它的作用包括：

保证可见性：对volatile变量的修改会立即刷新到主内存，其他线程读取时会从主内存中获取最新值。
禁止指令重排序：JVM会禁止对volatile变量的读写操作进行重排序。

示例：

public class VolatileExample {
    private volatile boolean flag = false;

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

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

5. Synchronized关键字

synchronized是JMM中用于保证原子性、可见性和有序性的关键字。它的作用包括：

保证原子性：同一时刻只有一个线程可以执行同步代码块。
保证可见性：在释放锁之前，会将工作内存中的变量刷新到主内存。
保证有序性：同步代码块内的操作不会被重排序。

示例：

public class SynchronizedExample {
    private int count = 0;

    public synchronized void increment() {
        count++;  // 原子操作
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

6. Final关键字

final关键字用于修饰变量、方法和类。在JMM中，final关键字可以保证可见性：

final变量：在构造完成后，对其他线程可见。
final方法：不能被子类重写。
final类：不能被继承。

示例：

public class FinalExample {
    private final int value;

    public FinalExample(int value) {
        this.value = value;  // 构造完成后，value对其他线程可见
    }

    public int getValue() {
        return value;
    }
}