聊聊Java的内存模型
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1、Java的内存模型（JMM）介绍
JMM核心定义和作用
Java内存模型（Java Memory Model，JMM）是Java虚拟机规范中定义的一种抽象概念，它规定了多线程环境下，线程如何与内存进行交互。
JMM的核心作用：
- 定义程序中各个变量的访问规则
- 确保多线程程序的可见性、有序性和原子性
- 屏蔽不同硬件平台和操作系统的内存访问差异
JVM和JMM的区别
说到JMM，我们不得不提到它经常被人所搞混淆的另一个概念JVM，我们用一张表来直观表现出它们的区别。
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。
// 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。
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
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
// 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
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
// 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
// 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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