Java内存模型（Java Memory Model, JMM）

Java内存模型（Java Memory Model, JMM）

介绍

Java内存模型（JMM）是Java并发编程的核心规范，定义了多线程环境下线程如何与内存交互，确保线程安全性。JMM通过happens-before关系、内存屏障等机制解决可见性、有序性和原子性问题，是理解`synchronized`、`volatile`、`final`等关键字底层原理的基础。

核心概念

1. 主内存与工作内存

JMM将内存分为两类：

• 主内存（Main Memory）：存储所有共享变量的原始值。
• 工作内存（Work Memory）：每个线程私有的内存空间，存储线程操作变量的副本。

flowchart LR A[主内存] -->|读取| B(线程1工作内存) A -->|读取| C(线程2工作内存) B -->|写入| A C -->|写入| A

2. happens-before关系

JMM通过以下规则保证操作的有序性：

• 程序顺序规则：同一线程内的操作按代码顺序执行。
• 锁规则：解锁操作先于后续的加锁操作。
• volatile规则：volatile变量的写操作先于后续读操作。
• 线程启动规则：`Thread.start()`先于线程内的任何操作。
• 传递性：若A happens-before B，B happens-before C，则A happens-before C。

代码示例

volatile关键字

public class VolatileExample {
    private volatile boolean flag = false;

    public void writer() {
        flag = true; // 写操作
    }

    public void reader() {
        if (flag) { // 读操作
            System.out.println("Flag is true");
        }
    }
}

输出（多线程环境下）：

Flag is true

解释：`volatile`保证`flag`的修改对所有线程立即可见。

双重检查锁定（DCL）问题

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton(); // 非原子操作
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

解释：`volatile`防止指令重排序，避免返回未初始化的对象。

实际应用场景

• 缓存一致性：如Redis分布式锁的实现需遵循JMM。
• 事件驱动架构：如Kafka消费者线程通过`volatile`标志位控制退出。
• 高性能计数器：`AtomicLong`基于CAS和内存屏障实现。

常见问题

1. 指令重排序

编译器/处理器可能优化指令顺序，JMM通过内存屏障禁止特定重排序。例如： $\text{StoreStore屏障}\to \text{写操作}\to \text{StoreLoad屏障}$

2. 伪共享（False Sharing）

多个线程修改同一缓存行的不同变量会导致性能下降。解决方案：

@Contended // Java 8+注解
private volatile long counter1;
private volatile long counter2;

总结

特性	实现机制
`synchronized`、`CAS`
`volatile`、`final`、`happens-before`
内存屏障、`volatile`

JMM是编写正确高效并发程序的理论基础，开发者需结合具体场景选择同步策略。