Java内存模型（JMM）深度解析

1/20/24About 11 min

一、JMM概述

Java内存模型（Java Memory Model, JMM）是Java虚拟机规范中定义的一种抽象的内存模型，用于规范多线程程序中变量的访问行为。JMM的主要目的是解决由于多线程环境下的缓存一致性、指令重排序等问题导致的内存可见性问题，确保程序在不同的硬件平台上都能表现出一致的内存访问行为。

JMM的设计目标主要有两个：

JMM将内存划分为两个主要区域：

线程对共享变量的操作必须在工作内存中进行，不能直接访问主内存。线程之间的通信通过主内存来完成。

内存屏障（Memory Barrier）是一种CPU指令，用于控制内存操作的顺序和可见性。内存屏障可以防止指令重排序，并确保内存操作的结果能够被其他线程立即看到。

JMM定义了四种类型的内存屏障：

不同的硬件平台有不同的内存屏障指令。JMM会根据不同的硬件平台，将Java代码中的内存屏障指令翻译为对应的硬件内存屏障指令。

例如，在x86架构上：

指令重排序是指编译器或处理器为了提高程序性能，对指令的执行顺序进行重新排序的优化技术。指令重排序可以分为三种类型：

指令重排序可能会导致多线程程序出现内存可见性问题。例如，在单线程环境下，下面的代码：

int a = 0;
boolean flag = false;

a = 1;        // 操作1
flag = true;  // 操作2

在单线程环境下，操作1总是在操作2之前执行，程序的结果是确定的。但是在多线程环境下，由于指令重排序，操作2可能会在操作1之前执行，导致其他线程看到flag为true时，a的值仍然是0。

JMM通过volatile关键字和synchronized关键字来禁止指令重排序，确保程序的内存可见性。

happens-before原则是JMM中定义的一套规则，用于确定一个操作的结果是否对另一个操作可见。如果操作A happens-before操作B，那么操作A的结果对操作B可见，并且操作A的执行顺序在操作B之前。

JMM定义了以下8条happens-before规则：

程序顺序规则：在同一个线程中，按照程序的顺序，前面的操作happens-before后面的操作。
监视器锁规则：一个线程释放锁的操作happens-before另一个线程获取同一个锁的操作。
volatile变量规则：对一个volatile变量的写操作happens-before后续对同一个volatile变量的读操作。
线程启动规则：调用Thread.start()方法happens-before线程中的任何操作。
线程终止规则：线程中的任何操作happens-before其他线程检测到该线程已经终止（通过Thread.join()或Thread.isAlive()）。
线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用happens-before被中断线程检测到中断事件（通过Thread.interrupted()或Thread.isInterrupted()）。
对象终结规则：一个对象的构造函数执行完成happens-before该对象的finalize()方法执行。
传递性规则：如果操作A happens-before操作B，操作B happens-before操作C，那么操作A happens-before操作C。