深入理解Java虚拟机-JAVA内存模型与线程

Java内存模型（JMM）

JMM 的核心概念

主内存与工作内存：

• 主内存（Main Memory）是所有线程共享的内存区域，存放着所有变量的值
• 每个线程都有自己的 工作内存（Working Memory），它是该线程的私有内存区域。线程操作共享变量时，先从主内存将变量拷贝到工作内存中，然后对工作内存中的变量进行修改，最后再将修改结果写回主内存

共享变量：

• JMM共享变量是多个线程可以访问的变量。通常是 static 变量或者实例变量。局部变量是线程私有的，不受 JMM 的影响

内存屏障（Memory Barriers） ：

• 内存屏障是指 CPU 或者编译器用来保证操作顺序的一种机制。它通过禁止指令重排，确保某些操作在执行时的顺序

变量的可见性、原子性与有序性：

• 可见性：当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够看到这个修改
• 原子性：对共享变量的操作要么完全成功，要么完全失败，不会中断。对于一些基本的操作（如 i++）来说，JMM 并不保证其原子性，需要通过同步手段来确保
• 有序性：JMM 保证每个线程内的代码执行顺序，但不一定保证所有线程之间的执行顺序。为了确保线程之间操作的顺序，JMM 提供了同步机制来控制

JMM 中的关键规则

线程间的可见性保证：

• 可见性问题的核心是，当一个线程修改了共享变量，其他线程如何及时看到这个修改。JMM 的设计通过内存同步（比如锁机制、volatile 关键字、synchronized 关键字等）来确保可见性
• volatile 关键字：声明为 volatile 的变量会直接从主内存中读取，而不是从线程的工作内存中读取。写入 volatile 变量时，JMM 会保证该写操作对其他线程可见。volatile 确保了可见性，但不能保证原子性和有序性

原子性保障：

• 在 JMM 中，只有一些基本的操作（如读取和写入一个 long 或 double 类型的变量）是原子的。对于复合操作（如 i++），如果不加同步，可能会出现原子性问题
• 原子性问题的解决方法：使用 synchronized、ReentrantLock 等同步机制来确保原子性

有序性保障：

• JMM 规定了每个线程内的指令执行顺序，但在不同线程之间，JMM 不保证执行顺序。为了控制执行顺序，可以使用 synchronized、volatile 或 Lock 等手段
• synchronized 关键字：synchronized 用于确保代码块的互斥执行，并在释放锁时会刷新工作内存中的值到主内存，从而保证线程间的可见性和顺序性
• volatile 关键字：保证了变量的写操作立即刷新到主内存，且对该变量的读操作总是直接从主内存读取，避免了线程之间的数据不一致性

JMM 的实现和底层原理

• MESI 协议（Modified, Exclusive, Shared, Invalid），用于多核 CPU 之间缓存数据的一致性
• 内存屏障（Memory Barrier） ：用于禁止指令重排，确保特定操作的顺序执行

volatile语义

可见性（Visibility）

• 保证：当一个线程修改了 volatile 变量的值，新值会立即被刷新到主内存；其他线程在读取该变量时，会从主内存中重新加载最新值
• 实现机制：通过插入 Memory Barrier（内存屏障）或缓存一致性协议（如 MESI 协议）强制同步主内存和工作内存的数据

原子性（Atomicity）

• 单变量操作：对 volatile 变量的读写操作是原子性的（例如 count++ 不会被拆分为 read+increment+write）
• 复合操作：volatile 不能保证复合操作的原子性（例如 i++ 或 a = b + c），仍需借助 synchronized 或 AtomicInteger 等类

禁止指令重排序（Ordering）

• 编译器优化：编译器和处理器可能会对指令进行重排序以提高性能
• 读操作：在读取 volatile 变量前插入 Load Barrier，禁止之前的读/写操作被重排到其后
• 写操作：在写入 volatile 变量后插入 Store Barrier，禁止之后的读/写操作被重排到其前
• 效果：保证 volatile 变量的读写顺序符合程序逻辑

happens-before规则

程序顺序规则

• 同一线程内，代码执行顺序与书写顺序一致（编译器和处理器可能重排指令，但需保证单线程结果不变）

监视器锁规则

• Lock → Unlock：对同一锁的 synchronized 块，Lock 操作必在 Unlock 前发生
• Unlock → Lock：Unlock 后，其他线程的 Lock 操作才能获取该锁

volatile 变量规则

• 写 → 读：对 volatile 变量的写操作，必在后续读操作之前完成
• 读 → 写：对 volatile 变量的读操作，必在后续写操作之前完成

线程启动规则

• Thread.start() 必须在新建线程的任何操作之前发生

线程终止规则

• 线程的 run() 方法结束（正常或异常退出）必在 join() 返回之前发生

中断规则

• 对线程的 interrupt() 调用必在该线程检测到中断状态（如 isInterrupted()）之前发生

对象终结规则

• 对象的 finalize() 方法执行完必在字段被垃圾回收之前发生（注：finalize() 已废弃）

传递性规则

• 若 A → B 且 B → C，则 A → C（可通过多条规则推导复杂顺序约束）