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在Java并發(fā)編程領域，Java內(nèi)存模型（Java Memory Model，JMM）是保障多線程程序正確性的核心基礎。它定義了線程和主內(nèi)存之間的抽象關系，規(guī)范了所有變量的訪問規(guī)則，解決了多線程環(huán)境下因CPU緩存、指令重排序等導致的內(nèi)存可見性、原子性和有序性問題。

什么是 JMM？

JMM并非真實的物理內(nèi)存結(jié)構(gòu)，而是Java虛擬機（JVM）為了屏蔽不同硬件和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問差異，給程序員提供的一套抽象內(nèi)存模型。它規(guī)定：

• 所有變量（包括實例變量、靜態(tài)變量，不包括局部變量和方法參數(shù)）都存儲在主內(nèi)存（Main Memory）中；
• 每個線程都有自己的工作內(nèi)存（Working Memory），線程對變量的所有操作（讀取、賦值等）都必須在工作內(nèi)存中進行，無法直接操作主內(nèi)存；
• 線程工作內(nèi)存中的變量是主內(nèi)存變量的副本，線程操作完成后需將結(jié)果同步回主內(nèi)存，其他線程才能感知到變量的更新。

這種主內(nèi)存 - 工作內(nèi)存的抽象模型，本質(zhì)上是對CPU緩存、寄存器等硬件資源的邏輯映射，目的是在程序正確性和硬件性能優(yōu)化之間找到平衡。

JMM 的設計目標

JMM的核心目標有兩個，分別面向開發(fā)者和虛擬機實現(xiàn)者：

• 對開發(fā)者：提供一致的內(nèi)存可見性、原子性和有序性保證，讓開發(fā)者無需關注底層硬件細節(jié)，就能編寫出正確的并發(fā)程序；
• 對虛擬機實現(xiàn)者：允許虛擬機根據(jù)不同硬件平臺優(yōu)化指令執(zhí)行（如指令重排序、緩存優(yōu)化），只要不違反JMM的規(guī)范，即可最大限度利用硬件性能。

內(nèi)存結(jié)構(gòu)劃分

需要注意：局部變量和方法參數(shù)存儲在工作內(nèi)存中，且不會被共享，因此不存在并發(fā)安全問題；而實例變量和靜態(tài)變量存儲在主內(nèi)存中，多線程訪問時需遵循 JMM 的交互規(guī)則，否則會出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致。

交互規(guī)則

JMM定義了8種原子操作（Atomic Operation），用于規(guī)范線程工作內(nèi)存與主內(nèi)存之間的變量傳遞，確保操作的完整性和正確性。這 8 種操作必須是原子的、不可拆分的：

• lock（鎖定）：作用于主內(nèi)存變量，將變量標記為線程獨占狀態(tài)；
• unlock（解鎖）：作用于主內(nèi)存變量，釋放被鎖定的變量，允許其他線程鎖定；
• read（讀?。鹤饔糜谥鲀?nèi)存變量，將變量值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)骄€程工作內(nèi)存，為后續(xù)load操作準備；
• load（載入）：作用于工作內(nèi)存變量，將read操作獲取的主內(nèi)存值存入工作內(nèi)存的變量副本中；
• use（使用）：作用于工作內(nèi)存變量，將工作內(nèi)存中的變量值傳遞給Java虛擬機執(zhí)行引擎（如執(zhí)行方法時使用變量）；
• assign（賦值）：作用于工作內(nèi)存變量，將執(zhí)行引擎的計算結(jié)果賦值給工作內(nèi)存中的變量；
• store（存儲）：作用于工作內(nèi)存變量，將工作內(nèi)存中的變量值傳輸?shù)街鲀?nèi)存，為后續(xù)write操作準備；
• write（寫入）：作用于主內(nèi)存變量，將store操作獲取的工作內(nèi)存值存入主內(nèi)存的變量中。

為保證并發(fā)安全，JMM對上述操作附加了3條關鍵約束：

• 禁止read和load、store和write操作單獨出現(xiàn)（即讀取后必須載入，存儲后必須寫入，確保變量傳遞的完整性）；
• 禁止線程丟棄assign操作（即工作內(nèi)存中變量被賦值后，必須同步回主內(nèi)存，不能私吞修改）；
• 禁止線程無原因地（未執(zhí)行assign）將工作內(nèi)存變量同步回主內(nèi)存（避免無效更新覆蓋主內(nèi)存值）。

解決的三大核心問題

在多線程環(huán)境下，CPU 緩存、指令重排序會導致內(nèi)存可見性、原子性和有序性問題，JMM通過規(guī)范和機制針對性解決了這三大問題。

內(nèi)存可見性（Visibility）

當一個線程修改了主內(nèi)存中的變量值，其他線程不能立即感知到該修改，導致讀取到過期數(shù)據(jù)。例如：

// 線程A執(zhí)行
boolean flag = false;
public void setFlag() {
    flag = true; // 修改主內(nèi)存變量，但未及時同步
}

// 線程B執(zhí)行
public void loop() {
    while (!flag) { // 工作內(nèi)存中flag始終為false，陷入死循環(huán)
    }
}

線程A修改flag后，若未及時通過store-write同步回主內(nèi)存，線程B的工作內(nèi)存中flag副本仍為false，會一直循環(huán)。

JMM 通過volatile關鍵字和鎖（synchronized、Lock）保證可見性：

• volatile：當變量被 volatile 修飾時，線程修改該變量后會立即執(zhí)行store-write同步回主內(nèi)存，同時使其他線程工作內(nèi)存中該變量的副本失效，其他線程讀取時需重新執(zhí)行read-load從主內(nèi)存獲取最新值；
• 鎖機制：線程獲取鎖（lock）時，會清空工作內(nèi)存中共享變量的副本，讀取時從主內(nèi)存重新加載；釋放鎖（unlock）時，會將工作內(nèi)存中修改后的變量同步回主內(nèi)存。

原子性（Atomicity）

原子性指一個操作或多個操作要么全部執(zhí)行，且執(zhí)行過程中不被中斷；要么全部不執(zhí)行。Java中部分操作天然具有原子性（如i = 1），但復合操作（如i++）不具備原子性，會被拆分為讀取 - 賦值 - 寫入三步，導致并發(fā)安全問題：

int i = 0;
// 1000個線程同時執(zhí)行i++
for (int j = 0; j < 1000; j++) {
    new Thread(() -> i++).start();
}
// 最終i可能小于1000，因為多個線程同時讀取i=0，執(zhí)行i++后同步回主內(nèi)存，覆蓋彼此結(jié)果

JMM 通過以下機制保證原子性：

• 天然原子操作：JMM規(guī)定read、load、use、assign、store、write等基本操作具有原子性；
• 鎖機制：synchronized和Lock通過獨占鎖保證同一時間只有一個線程執(zhí)行臨界區(qū)代碼，從而確保復合操作的原子性；
• 原子類：Java并發(fā)包（java.util.concurrent.atomic）提供的AtomicInteger、AtomicLong等類，通過CAS（Compare and Swap）操作實現(xiàn)原子性，底層依賴CPU的原子指令（如cmpxchg）。

有序性（Ordering）

有序性指程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。但為了優(yōu)化性能，CPU和JVM會對指令進行重排序（Reordering），重排序分為三種：

• 編譯器重排序：編譯器在不改變單線程語義的前提下，調(diào)整代碼執(zhí)行順序；
• CPU指令重排序：CPU為提高執(zhí)行效率，調(diào)整指令的執(zhí)行順序；
• 內(nèi)存重排序：由于CPU緩存的存在，變量的讀寫操作看起來被重排序（如寫后讀可能出現(xiàn)先讀后寫的現(xiàn)象）。

重排序在單線程環(huán)境下不會導致問題，但在多線程環(huán)境下會破壞有序性。例如經(jīng)典的雙重檢查鎖單例問題：

public class Singleton {
    private static Singleton instance; // 未加volatile
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { // 1. 讀取instance
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton(); // 2. 新建對象，可能被重排序
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

instance = new Singleton()會被拆分為三步：

1. 分配內(nèi)存；
2. 初始化對象；
3. 將instance指向內(nèi)存地址。

編譯器可能重排序為1→3→2，此時線程A執(zhí)行到3后，instance已非null，線程B進入時會直接返回未初始化的instance，導致空指針異常。

JMM 通過volatile 關鍵字、鎖機制和happens-before規(guī)則保證有序性：

• volatile：禁止編譯器和CPU對volatile變量的讀寫操作進行重排序（通過內(nèi)存屏障實現(xiàn)）；
• 鎖機制：同一時間只有一個線程執(zhí)行臨界區(qū)代碼，相當于串行化執(zhí)行，天然保證有序性；
• happens-before規(guī)則：JMM定義的一套先行發(fā)生規(guī)則，無需任何同步手段，即可保證操作的有序性。例如：

程序次序規(guī)則：單線程中，代碼按書寫順序執(zhí)行（前序操作happens-before后序操作）；

監(jiān)視器鎖規(guī)則：解鎖操作happens-before后續(xù)的加鎖操作；

volatile變量規(guī)則：對volatile變量的寫操作happens-before后續(xù)的讀操作；

線程啟動規(guī)則：Thread.start()操作happens-before線程內(nèi)的任意操作；

線程終止規(guī)則：線程內(nèi)的任意操作happens-before線程的終止檢測（如Thread.join()）。

JMM 的關鍵實現(xiàn)：volatile 關鍵字與鎖機制

volatile 關鍵字的底層原理

volatile是JMM中最常用的輕量級同步手段，主要解決可見性和有序性問題（不保證原子性），其底層通過內(nèi)存屏障實現(xiàn)。

內(nèi)存屏障是一組CPU指令，用于禁止指令重排序，并保證內(nèi)存可見性。JMM對volatile變量的讀寫操作添加了以下內(nèi)存屏障：

• 寫操作后：添加StoreStore屏障（禁止前面的普通寫操作與當前volatile寫操作重排序）和StoreLoad屏障（禁止當前volatile寫操作與后面的volatile讀 / 寫操作重排序）；
• 讀操作前：添加LoadLoad屏障（禁止前面的volatile讀操作與當前volatile讀操作重排序）和LoadStore屏障”（禁止當前volatile讀操作與后面的普通寫操作重排序）。

這些屏障確保：volatile變量的寫操作會立即同步到主內(nèi)存，讀操作會立即從主內(nèi)存加載最新值，且讀寫操作不會與其他操作重排序。

鎖機制與 JMM 的關系

synchronized和java.util.concurrent.locks.Lock是Java中保證原子性、可見性和有序性的 “全能” 同步手段，其與 JMM 的交互遵循以下規(guī)則：

• 原子性：鎖的獨占性確保同一時間只有一個線程執(zhí)行臨界區(qū)代碼，復合操作被拆分為加鎖→執(zhí)行→解鎖三步，整體具有原子性；
• 可見性：線程解鎖時，JMM會將該線程工作內(nèi)存中所有修改后的變量同步回主內(nèi)存；線程加鎖時，JMM會清空該線程工作內(nèi)存中所有共享變量的副本，強制從主內(nèi)存重新加載；
• 有序性：鎖的串行化執(zhí)行特性，確保臨界區(qū)代碼按順序執(zhí)行，且鎖的解鎖happens-before加鎖規(guī)則，保證不同線程對臨界區(qū)變量的操作具有有序性。