1. 什么是 JMM？

JMM 的全稱是 Java Memory Model，即 Java 內(nèi)存模型。

簡單來說，JMM 是一套規(guī)范，它定義了在多線程環(huán)境下，Java 程序中的變量（特別是共享變量）如何被寫入內(nèi)存以及如何從內(nèi)存中讀取的規(guī)則。

關(guān)鍵點(diǎn)：

• 它不是 指 Java 程序運(yùn)行時(shí)內(nèi)存區(qū)域的劃分（如堆、棧、方法區(qū)）。那是 JVM 內(nèi)存結(jié)構(gòu)，是兩個(gè)不同的概念。
• 它是 一個(gè)抽象的概念，是一組規(guī)則和規(guī)范，旨在解決由于多線程訪問共享數(shù)據(jù)而可能引發(fā)的各種問題，如內(nèi)存可見性、原子性、有序性等。

2. 為什么需要 JMM？（JMM 要解決的問題）

在沒有 JMM 約束的情況下，多線程編程會(huì)面臨三大核心難題，這主要是由于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)架構(gòu)（如多級(jí)緩存、CPU 指令重排序）造成的。

1. 可見性

• 問題： 一個(gè)線程修改了共享變量的值，另一個(gè)線程不能立即看到這個(gè)修改。
• 原因： 為了提高效率，每個(gè)線程都有自己的工作內(nèi)存（可以理解為CPU高速緩存的一個(gè)抽象），它們會(huì)先將主內(nèi)存中的共享變量拷貝一份到自己的工作內(nèi)存中進(jìn)行操作，操作完成后并不一定會(huì)立即寫回主內(nèi)存。如果線程A修改了值但未刷新到主內(nèi)存，線程B讀取到的就還是舊的值。
• 例子：

// 共享變量
private static boolean flag = false;
public static void main(String[] args) {
    new Thread(() -> {
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        flag = true; // 線程A修改flag為true
        System.out.println("Flag set to true.");
    }).start();
    new Thread(() -> {
        while (!flag) { 
            // 線程B可能永遠(yuǎn)無法跳出循環(huán)，因?yàn)樗床坏骄€程A對flag的修改
        }
        System.out.println("Thread sees flag change.");
    }).start();
}

在沒有同步措施的情況下，第二個(gè)線程可能會(huì)陷入死循環(huán)。

2. 原子性

• 問題： 一個(gè)或多個(gè)操作，要么全部執(zhí)行成功，要么全部不執(zhí)行，中間不能被任何其他操作中斷。
• 原因： 即使是看似簡單的操作（如 i++），在底層也是由多個(gè)指令組成的（讀取 i，計(jì)算 i+1，寫回 i）。如果多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行 i++，就可能發(fā)生線程A剛讀取完 i 的值，CPU時(shí)間片就被線程B搶走，線程B也讀取了相同的值并完成寫入，然后線程A再繼續(xù)寫回，最終導(dǎo)致兩次 i++ 結(jié)果只增加了1。
• 例子： count++ 就不是原子操作。

3. 有序性

• 問題： 程序執(zhí)行的順序不一定就是代碼編寫的順序。
• 原因： 為了性能優(yōu)化，編譯器和處理器常常會(huì)對指令進(jìn)行重排序。只要在單線程環(huán)境下，重排序后的結(jié)果與順序執(zhí)行的結(jié)果一致（遵守 as-if-serial 語義），這種優(yōu)化就是被允許的。但在多線程環(huán)境下，重排序可能會(huì)導(dǎo)致意想不到的結(jié)果。
• 例子（經(jīng)典的雙重檢查鎖定單例模式問題）：

public class Singleton {
    private static Singleton instance; // 沒有volatile
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { // 第一次檢查
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) { // 第二次檢查
                    instance = new Singleton(); // 非原子操作，可能發(fā)生重排序
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

instance = new Singleton() 這行代碼在 JVM 中大致做了三件事：

• 分配對象的內(nèi)存空間
• 初始化對象
• 將 instance 引用指向這塊內(nèi)存
• 如果步驟2和3被重排序，線程A可能剛執(zhí)行完步驟3（instance 已不為null）但還未初始化對象時(shí)，線程B在第一次檢查 if (instance == null) 時(shí)發(fā)現(xiàn)不為null，就會(huì)直接返回一個(gè)尚未初始化完成的錯(cuò)誤對象。

3. JMM 是如何解決這些問題的？

JMM 通過定義一些關(guān)鍵的 關(guān)鍵字 和 規(guī)則 來解決上述問題，主要是圍繞 主內(nèi)存 和 工作內(nèi)存 之間的交互協(xié)議。

核心手段：

• synchronized 關(guān)鍵字
  • 原子性： synchronized 塊中的操作具有原子性，同一時(shí)刻只有一個(gè)線程能執(zhí)行。
  • 可見性： 當(dāng)線程進(jìn)入 synchronized 塊時(shí)，會(huì)清空工作內(nèi)存，從主內(nèi)存重新加載變量。退出 synchronized 塊時(shí)，會(huì)把工作內(nèi)存中的修改刷新到主內(nèi)存。
  • 有序性： 它通過“一個(gè)變量在同一時(shí)刻只允許一條線程對其進(jìn)行 lock 操作”來限制重排序，從而保證有序性?？梢钥醋魇菃尉€程執(zhí)行。
• volatile 關(guān)鍵字
  • 可見性： 當(dāng)寫一個(gè) volatile 變量時(shí)，JMM 會(huì)立即將該線程工作內(nèi)存中的新值強(qiáng)制刷新到主內(nèi)存。當(dāng)讀一個(gè) volatile 變量時(shí)，JMM 會(huì)使該線程的工作內(nèi)存無效，從而從主內(nèi)存中重新讀取。
  • 有序性： 它通過插入內(nèi)存屏障 來禁止指令重排序。確保了 volatile 寫操作之前的任何讀寫操作都不會(huì)被重排序到寫操作之后；volatile 讀操作之后的任何讀寫操作都不會(huì)被重排序到讀操作之前。
  • 注意： volatile 不保證原子性（例如 volatile int i; i++ 仍然不是原子的）。
• Happens-Before 原則
  • 這是 JMM 中最核心、最復(fù)雜的概念之一。它是一組規(guī)則，用于描述兩個(gè)操作之間的內(nèi)存可見性。如果操作 A Happens-Before 于操作 B，那么 A 操作所做的任何修改對 B 操作都是可見的。
• 程序次序規(guī)則： 在一個(gè)線程內(nèi)，書寫在前面的操作先行發(fā)生于書寫在后面的操作。
• 管程鎖定規(guī)則： 一個(gè) unlock 操作先行發(fā)生于后面對同一個(gè)鎖的 lock 操作。
• volatile變量規(guī)則： 對一個(gè) volatile 變量的寫操作先行發(fā)生于后面對這個(gè)變量的讀操作。
• 線程啟動(dòng)規(guī)則： Thread 對象的 start() 方法先行發(fā)生于此線程的每一個(gè)動(dòng)作。
• 線程終止規(guī)則： 線程中的所有操作都先行發(fā)生于對此線程的終止檢測。
• 線程中斷規(guī)則： 對線程 interrupt() 方法的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發(fā)生。
• 對象終結(jié)規(guī)則： 一個(gè)對象的初始化完成先行發(fā)生于它的 finalize() 方法的開始。
• 傳遞性： 如果操作 A 先行發(fā)生于操作 B，操作 B 先行發(fā)生于操作 C，那么操作 A 先行發(fā)生于操作 C。

總結(jié)

一句話總結(jié)：
JMM（Java內(nèi)存模型）是一套規(guī)范，它屏蔽了底層硬件內(nèi)存訪問的差異，為 Java 開發(fā)者提供了一套統(tǒng)一的內(nèi)存訪問模型，使得我們在編寫多線程程序時(shí)，即使在不了解底層硬件細(xì)節(jié)的情況下，也能通過使用 synchronized、volatile 等關(guān)鍵字，編寫出正確、線程安全的代碼。

到此這篇關(guān)于Java內(nèi)存模型JMM深入解析的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java內(nèi)存模型JMM內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

最新評論