Java内存模型(JMM)

〃冷·夏ぐ2025-07-31 17:16

Java内存模型(Java Memory Model, JMM)是Java并发编程的核心基础，它定义了多线程环境下变量的访问规则，决定了在什么时候一个线程对共享变量的修改对其他线程可见。本文将全面剖析JMM的各个方面，从基础概念到高级应用，帮助开发者彻底理解并正确运用这一关键机制。

一、JMM概述：为什么需要内存模型？

1.1 计算机体系结构的内存问题

现代计算机体系结构中存在多个层次的内存访问优化，这导致了内存访问的一些特殊现象：

  • CPU缓存架构：多级缓存(L1/L2/L3)的存在导致内存可见性问题

  • 指令重排序：编译器/处理器为了优化性能可能改变指令执行顺序

  • 多核并发：不同CPU核心可能看到不同的内存状态

java 复制代码 
// 典型的内存可见性问题示例
public class VisibilityProblem {
    private static boolean ready = false;
    private static int number = 0;
    
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            while (!ready) {
                // 可能永远循环！
            }
            System.out.println(number);
        }).start();
        
        number = 42;
        ready = true;
    }
}

1.2 JMM的作用与意义

Java内存模型的主要目标：

  • 定义规则：规定线程如何与内存交互

  • 保证可见性：确保一个线程的修改对其他线程可见

  • 禁止重排序：限制编译器和处理器的优化行为

  • 提供同步机制：定义happens-before关系

二、JMM核心概念详解

2.1 主内存与工作内存

JMM将内存抽象为两种：

  • 主内存(Main Memory)：所有共享变量的存储位置

  • 工作内存(Working Memory)：每个线程私有的内存空间

变量访问流程：

  1. 线程从主内存拷贝变量到工作内存

  2. 线程在工作内存中操作变量

  3. 在某个时刻将工作内存的值刷新回主内存

2.2 内存间交互操作

JMM定义了8种原子操作来完成主内存与工作内存的交互：

操作 作用
lock(锁定) 作用于主内存，标识变量为线程独占
unlock(解锁) 释放锁定状态
read(读取) 从主内存传输变量到工作内存
load(载入) 把read得到的值放入工作内存副本
use(使用) 把工作内存值传递给执行引擎
assign(赋值) 将执行引擎接收的值赋给工作内存变量
store(存储) 把工作内存值传送到主内存
write(写入) 把store得到的值放入主内存变量

操作规则：

  • read/load和store/write必须成对出现

  • 不允许一个变量从主内存读取但工作内存不接受，或工作内存发起回写但主内存不接受

  • 新变量只能在主内存"诞生"

  • 一个变量同一时刻只允许一个线程lock

  • 对变量执行lock操作会清空工作内存中此变量的值

  • unlock前必须先把变量同步回主内存

2.3 happens-before原则

happens-before是JMM的核心概念，定义了两个操作的偏序关系：

基本规则：

  1. 程序顺序规则：同一线程中的每个操作happens-before于该线程中的任意后续操作

  2. 监视器锁规则：对一个锁的解锁happens-before于随后对这个锁的加锁

  3. volatile变量规则：对一个volatile域的写happens-before于任意后续对这个volatile域的读

  4. 传递性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C

  5. 线程启动规则：Thread.start()的调用happens-before于被启动线程中的任何操作

  6. 线程终止规则：线程中的任何操作都happens-before于其他线程检测到该线程已经终止

  7. 中断规则：一个线程调用另一个线程的interrupt happens-before于被中断线程检测到中断

  8. 终结器规则：对象的构造函数执行happens-before于它的finalize方法

java 复制代码 
// happens-before示例
public class HappensBeforeExample {
    private int x = 0;
    private volatile boolean v = false;
    
    public void writer() {
        x = 42;  // (1)
        v = true; // (2) volatile写
    }
    
    public void reader() {
        if (v) {  // (3) volatile读
            System.out.println(x); // (4) 保证输出42
        }
    }
}

三、volatile关键字深度解析

3.1 volatile的语义

volatile变量具有两种特性：

  1. 可见性：对volatile变量的写操作会立即刷新到主内存

  2. 禁止重排序：编译器/处理器不会对volatile操作重排序

内存屏障：

  • 写volatile变量时：在写操作前插入StoreStore屏障，写操作后插入StoreLoad屏障

  • 读volatile变量时：在读操作前插入LoadLoad屏障，读操作后插入LoadStore屏障

3.2 volatile与普通变量的区别

特性 普通变量 volatile变量
可见性 不保证 保证
原子性 32位以下基本类型具有原子性 任何读写操作都具有原子性
重排序 允许 限制
性能 高 较低(因为内存屏障)

3.3 volatile的正确使用场景

  1. 状态标志：

    java 复制代码 
    public class ShutdownRequest extends Thread {
    private volatile boolean shutdownRequested = false;
    
    public void shutdown() { shutdownRequested = true; }
    
    @Override
    public void run() {
        while (!shutdownRequested) {
            // 执行任务
        }
    }
}

  2. 一次性安全发布：

    java 复制代码 
    public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance;
    
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

  3. 独立观察：

java 复制代码 
public class UserManager {
    private volatile String lastUser;
    
    public void authenticate(String user, String password) {
        boolean valid = // 验证逻辑
        if (valid) {
            lastUser = user;
        }
    }
}

四、synchronized与锁的内存语义

4.1 synchronized的三大特性

  1. 原子性：确保互斥执行临界区代码

  2. 可见性：解锁前必须将变量刷新到主内存

  3. 有序性：限制临界区内指令重排序

4.2 锁的内存语义

  • 获取锁：清空工作内存，从主内存重新加载变量

  • 释放锁：将工作内存中的变量刷新到主内存

java 复制代码 
public class SynchronizedExample {
    private int value = 0;
    
    public synchronized void increment() {
        value++; // 原子性+可见性保证
    }
    
    public int getValue() {
        synchronized(this) {
            return value; // 保证读取最新值
        }
    }
}

4.3 锁与volatile的比较

特性 synchronized volatile
原子性 保证代码块/方法级别的原子性 保证单个读/写的原子性
可见性 保证 保证
阻塞 是 否
适用范围 代码块/方法 变量
编译器优化 限制 限制
性能 较高开销 较低开销

五、final域的内存语义

5.1 final域的重排序规则

  1. 写final域：禁止把final域的写重排序到构造函数之外

  2. 读final域：初次读包含final域的对象引用时，保证final域已被初始化

5.2 final的正确使用

java 复制代码 
public class FinalExample {
    private final int x;
    private int y;
    private static FinalExample instance;
    
    public FinalExample() {
        x = 1;  // final写
        y = 2;  // 普通写
    }
    
    public static void writer() {
        instance = new FinalExample();
    }
    
    public static void reader() {
        FinalExample object = instance;
        int a = object.x; // 保证读到1
        int b = object.y; // 可能读到0
    }
}

5.3 final与线程安全

正确构造的不可变对象是线程安全的：

java 复制代码 
public class ImmutablePoint {
    private final int x;
    private final int y;
    
    public ImmutablePoint(int x, int y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }
    // 只有getter方法
}

六、双重检查锁定问题与解决方案

6.1 错误的双重检查锁定

java 复制代码 
public class DoubleCheckedLocking {
    private static Instance instance;
    
    public static Instance getInstance() {
        if (instance == null) {                  // 第一次检查
            synchronized (DoubleCheckedLocking.class) {
                if (instance == null) {          // 第二次检查
                    instance = new Instance();   // 问题根源！
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

问题根源 ：instance = new Instance()可能被重排序为：

  1. 分配内存空间

  2. 将引用指向内存空间（此时instance!=null）

  3. 初始化对象

6.2 正确的解决方案

  1. 使用volatile：

    java 复制代码 
    private volatile static Instance instance;

  2. 静态内部类：

    java 复制代码 
    public class Singleton {
    private static class Holder {
        static final Instance INSTANCE = new Instance();
    }
    
    public static Instance getInstance() {
        return Holder.INSTANCE;
    }
}

  3. 枚举实现：

    java 复制代码 
    public enum Singleton {
    INSTANCE;
    
    public void someMethod() { ... }
}

七、JMM与并发工具类

7.1 Atomic类的内存语义

原子类基于CAS实现，具有volatile读写的内存语义：

java 复制代码 
public class AtomicExample {
    private final AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);
    
    public void increment() {
        counter.incrementAndGet(); // 包含内存屏障
    }
    
    public int get() {
        return counter.get(); // 具有volatile读语义
    }
}

7.2 ConcurrentHashMap的内存保证

ConcurrentHashMap通过分段锁和volatile变量保证内存可见性：

java 复制代码 
static final class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    final int hash;
    final K key;
    volatile V val;         // 值用volatile修饰
    volatile Node<K,V> next; // 下一个节点也用volatile修饰
}

7.3 CountDownLatch的内存语义

java 复制代码 
public class CountDownLatchDemo {
    private final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);
    private int result;
    
    public void compute() {
        new Thread(() -> {
            result = doCompute(); // (1)
            latch.countDown();    // (2) 释放存储屏障
        }).start();
    }
    
    public int getResult() throws InterruptedException {
        latch.await();           // (3) 获取加载屏障
        return result;           // (4) 保证看到(1)的结果
    }
}

八、JMM实战问题与解决方案

8.1 伪共享(False Sharing)问题

问题现象：

  • 多个线程频繁修改同一缓存行的不同变量

  • 导致缓存行无效，性能下降

解决方案：

  1. 填充(Padding)：

    java 复制代码 
    public class FalseSharing {
    public volatile long value1;
    public long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7; // 填充
    public volatile long value2;
}

  2. 使用@Contended注解(Java8+)：

    java 复制代码 
    public class FalseSharing {
    @jdk.internal.vm.annotation.Contended
    public volatile long value1;
    
    @jdk.internal.vm.annotation.Contended
    public volatile long value2;
}

8.2 安全发布模式

  1. 静态初始化：

    java 复制代码 
    public static Holder holder = new Holder(42);

  2. volatile或AtomicReference：

    java 复制代码 
    public volatile Holder holder;

  3. final域：

    java 复制代码 
    public class HolderWrapper {
    public final Holder holder;
    public HolderWrapper(Holder holder) {
        this.holder = holder;
    }
}

九、JMM与Java新特性

9.1 Java 9+的VarHandle

提供更灵活的内存访问操作：

java 复制代码 
public class VarHandleExample {
    private int x;
    private static final VarHandle X;
    
    static {
        try {
            X = MethodHandles.lookup()
                .findVarHandle(VarHandleExample.class, "x", int.class);
        } catch (Exception e) {
            throw new Error(e);
        }
    }
    
    public void increment() {
        X.getAndAdd(this, 1); // 原子操作
    }
}

十、JMM最佳实践

    1. 优先使用高层并发工具：

      • 使用ConcurrentHashMap而不是同步的HashMap

      • 使用AtomicLong而不是synchronized计数器

    2. 最小化同步范围：

      • 同步块比同步方法更好

      • 只在必要时使用同步

    3. 正确发布共享对象：

      • 使用final字段

      • 使用volatile或正确同步

    4. 避免过度同步：

      • 考虑使用不可变对象

      • 使用线程封闭技术(ThreadLocal)

    5. 理解happens-before关系：

      • 不要依赖执行时序

      • 确保正确的同步

    6. 性能考虑：

      • 测量而不是猜测

      • 注意伪共享问题

      • 考虑无锁算法

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