JAVA内存模型(JMM)详解

什么是JMM

JMM 是 Java Memory Model 的缩写，即 Java 内存模型，是一种制定了共享内存系统中多线程访问规则的抽象规范。它规定了 JVM 中各个线程之间的共享变量存储在主内存中，每个线程都有自己的工作内存和虚拟机栈，变量值的更改仅在工作内存中进行，需要同步到主内存中才能被其他线程看到。

JMM 可以保证 Java 多线程程序在并发执行时的可见性（Visibility）、有序性（Ordering）和原子性（Atomicity）。

JMM 规定的内存模型

在 JMM 的规范中，分别定义了以下不同的内存区域：

• 主内存：所有变量的存储位置，是所有线程共享的。
• 工作内存：每个线程中会包含有一个工作内存，线程的操作即在工作内存中进行。
• 指令集：CPU 中的指令。
• CAS 操作：原子操作的一种，即比较并交换。

JMM 同时也规定了以下行为：

• 线程间通信（Lock，volatile 变量，synchronized，AtomicInteger 等）：保证可见性、有序性和原子性。
• happens-before 关系：保证程序运行的顺序。
• 内存屏障（Memory Barriers）：强制工作内存和主内存之间的通信。

JMM 的实例

以下是两个使用 JMM 的实例：

示例1：内存可见性

下面是一个简单的多线程示例，其中线程 A 在运行时修改了共享变量 count 的值，而线程 B 需要使用这个 count 值。如果不使用 JMM，线程 B 很大概率无法读取到线程 A 修改后的值。

public class VisibilityDemo {
    private volatile static int count = 0;

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            while (count == 0) {}
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " exit");
        }).start();

        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        count = 1;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " set count to 1");
    }
}

使用 volatile 关键字可以让程序使用 JMM 模型：

private volatile static int count = 0;

输出结果为：

Thread-0 exit
main set count to 1

结论：使用 volatile 可以防止写操作前后的指令重排，保障了内存可见性。

示例2：原子性

明显的例子是多线程下的计数器，如果不是原子性的自增会导致不准确的结果，甚至程序奔溃。使用 JMM 的 AtomicInteger 可以将其变得更安全。

public class AtomicDemo{
    static AtomicInteger ai = new AtomicInteger(1);

    public static void main(String[] args){
        new Thread(() ->{
            int i = ai.getAndSet(2);
            System.out.println("Thread1: ai = " + ai + ", i = " + i);
        }).start();

        new Thread(() ->{
            int i = ai.getAndIncrement();
            System.out.println("Thread2: ai = " + ai + ", i = " + i);
        }).start();
    }
}

输出结果:

Thread1: ai = 2, i = 1
Thread2: ai = 3, i = 2

结论：使用 AtomicInteger 可以保证一个自增操作的原子性。

结论

JMM 的核心思想是通过将共享变量存储在主内存中，为每个线程创建一个工作内存，严格限制对共享变量的访问，保证并发环境下多线程的安全性。JMM 的实现方式和规范可以保证多线程程序的可见性、有序性和原子性要求，是 Java 多线程程序实现的重要基础。