聊聊Java的内存模型

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| | JVM内存结构 | Java内存模型 |
| 核心关注点 | 数据存储的物理/逻辑分区 | 线程与内存的交互规则 |
| 内容 | 堆、栈、方法区等内存区域 | 主内存、工作内存抽象概念 |
| 目的 | 内存分配与管理 | 多线程内存可见性控制 |

2.JMM核心概念

主内存和工作内存

主内存：所有线程共享的内存区域，存储所有实例字段、静态字段和数组元素
工作内存：每个线程私有的内存空间，存储线程使用变量的副本

当某个线程需要使用到内存中的变量时，他会先从主内存中复制一份该变量的副本到自己的工作内存当中，使用完后再将该变量写入主内存的共享内存中。

内存间的交互操作

lock/unlock：作用于主内存，标识变量为线程独占状态
read/load：从主内存读取变量到工作内存
use/assign：工作内存中使用和赋值操作
store/write：将工作内存变量写回主内存

内存三大特性

原子性

核心概念：原子性 指一个操作或一系列操作要么全部执行成功 ，要么全部不执行，不会出现执行到一半的状态。

java 复制代码

// 原子操作示例
int x = 10;           // 原子的：一次性赋值
boolean flag = true;  // 原子的

// 非原子操作示例
int i = 0;
i++;                  // 非原子的，实际包含3个步骤：
                      // 1.读取i的值到寄存器 
                      // 2.寄存器值加1     
                      // 3.写回内存

可见性

核心概念：可见性 指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即看到修改后的值。

java 复制代码

 private boolean running = true;  // 主内存中的变量
    
    public void run() {
        while (running) {  // 工作内存中的副本
            // 看不到running被改为false
        }
    }
    
    public void stop() {
        running = false;  // 修改主内存，但工作内存可能没更新
    }

有序性

核心概念：有序性 指程序执行的顺序按照代码的先后顺序 执行。但在多线程或优化环境下，指令可能被重排序。

重排序原因：

编译器优化重排序
处理器指令级并行重排序
内存系统重排序

java 复制代码

 private int x = 0;
 private boolean flag = false;
    
    // 线程1执行
    public void writer() {
        x = 42;          // 1
        flag = true;     // 2 可能被重排到1之前！
    }
    
    // 线程2执行
    public void reader() {
        if (flag) {      // 3
            System.out.println(x);  // 可能输出0而不是42！
        }
    }

3.Happens-Before规则

Happens-Before规则介绍

Happens-Before 是JMM的核心概念，它定义了两个操作之间的偏序关系：

如果操作A happens-before 操作B
那么A的所有写操作 对B的读操作 都是可见的

有点难看懂，我们用一个简单的例子就能快速理解

java 复制代码

// 核心：happens-before ≠ 时间先后
int x = 0;
int y = 0;

// 时间上：先执行1，后执行2
x = 1;      // 1
y = x + 1;  // 2

// 逻辑上：1 happens-before 2
// 所以2一定能看到1写入的值

A happens-before B 翻译过来就是：A对B可见。

六大happens-before规则

程序次序规则:**线程内,**按照程序代码顺序，前面的操作happens-before后面的操作。
监视器锁规则:对一个锁的解锁操作happens-before后续对这个锁的加锁操作。
volatile变量规则:对一个volatile变量的写操作happens-before后续对这个变量的读操作。
线程启动规则:Thread对象的start() 方法调用happens-before该线程的每一个动作。
线程终止规则:线程中的所有操作happens-before其他线程检测到该线程已经终止
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

核心概述： volatile 是一个重要的关键字，用于告知编译器某个变量的值可能会被程序外部的因素意外修改，从而避免编译器对该变量进行优化。它的主要作用是确保每次访问变量时都从内存中读取最新的值，而不是使用寄存器中的缓存值。

volatile提供了两大保证：

可见性：修改立即对所有线程可见
有序性：禁止指令重排序

java 复制代码

 private volatile boolean flag = false;
    private int count = 0;
    
    public void writer() {
        count = 42;        // 普通写操作
        flag = true;       // volatile写操作
    }
    
    public void reader() {
        if (flag) {        // volatile读操作
            // 这里一定能看到count=42
            System.out.println(count);
        }
    }

5.JMM的常见误区

volatile无法保证原子性

volatile可以保证可见性和有序性，但和synchronized不一样，不能保证原子性

java 复制代码

// 错误:以为volatile能保证原子性
volatile int count = 0;
count++;  // 非原子操作

// 正确:使用原子类或同步
AtomicInteger atomicCount = new AtomicInteger(0);
atomicCount.incrementAndGet();

指令重排序的陷阱

java 复制代码

// 可能由于重排序导致问题
int a = 0;
boolean flag = false;

// 线程1
a = 1;          // 1
flag = true;    // 2 可能重排到1之前

// 线程2
if (flag) {
    System.out.println(a);  // 可能输出0
}

此时我们需对flag使用volatile关键字修饰即可保证在a赋值后再执行flag=true操作。

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