学习笔记04——JMM内存模型

news2025/2/25 14:05:51

一、Java内存模型（JMM）是什么？

Java内存模型（Java Memory Model, JMM）是Java多线程编程中共享内存的访问规则，定义了线程如何与主内存（Main Memory）和工作内存（Work Memory）交互，解决多线程并发中的原子性、可见性、有序性问题。确保多线程程序在不同架构的处理器和内存系统上都能正确运行。

二、核心概念

主内存与工作内存
- 主内存：所有线程共享的内存区域，存储变量（实例字段、静态字段等），类似于计算机中的物理内存。
- 工作内存：每个线程私有的内存区域，存储主内存变量的副本。
- 交互规则：线程只能操作工作内存中的变量副本，修改后需同步回主内存。
原子性、可见性、有序性
- 原子性：操作不可分割（如AtomicInteger），要不全部完成，要不全部不做。
  1. 基本数据类型的赋值操作（如int a = 10）。
  2. 使用synchronized关键字或Lock接口实现的同步代码块。
```
public class Counter {
    private int count = 0;

    public synchronized void increment() {
        count++;
    }
}
```
- 可见性：一个线程对变量的修改能被其他线程立刻看到（volatile、synchronized）。
  1. volatile关键字：确保变量的修改立即刷新到主内存，其他线程读取时能获取最新值。
  2. synchronized关键字：线程退出同步块时，会将工作内存中的变量写回主内存。
```
public class VolatileExample {
    private volatile boolean running = true;

    public void stop() {
        running = false;
    }

    public void run() {
        while (running) {
            // do something
        }
    }
}
```
- 有序性：代码执行顺序与程序顺序一致（防止指令重排序）。
  1. happens-before原则：定义了操作的先后顺序。
  2. 内存屏障：防止指令重排序。
Happens-Before原则 JMM定义的保证有序性的规则，若操作A happens-before 操作B，则A的结果对B可见。常见规则：
- 程序顺序规则：在单线程中，代码的执行顺序符合书写顺序。
- volatile变量规则
- 锁规则（synchronized或Lock）
- 线程启动/终止规则
- 传递性规则

三、关键机制

volatile关键字
- 保证变量的可见性：直接读写主内存，禁止缓存。
- 禁止指令重排序：通过插入内存屏障（Memory Barrier）。
- 示例：双检锁单例模式中的volatile修饰实例对象。
synchronized与锁
- 通过监视器锁（Monitor）实现原子性和可见性。
- 线程解锁前必须将变量同步回主内存。
final关键字
- 构造函数中对final域的写入，与后续引用赋值操作不会被重排序。
- 确保其他线程看到final变量时，其初始化已完成。
并发工具类

如CountDownLatch、CyclicBarrier等，用于更复杂的线程同步。

四、常见问题与面试考点

volatile能否保证原子性？
- 不能。volatile仅保证读写操作的原子性，但复合操作（如i++）仍需同步。
DCL（双检锁）单例模式为什么要加volatile？
- 防止指令重排序导致其他线程获取未初始化完成的对象。
synchronized和ReentrantLock的区别？
- synchronized是JVM内置锁，自动释放；ReentrantLock需手动加锁/解锁，支持公平锁、条件变量。
什么是内存可见性问题？如何解决？
- 线程A修改变量后未及时同步到主内存，线程B读取旧值。
- 解决：volatile、synchronized、Lock。
指令重排序的典型场景？
- 单例模式初始化：new Object()可能被拆分为分配内存、初始化对象、赋值引用三步，重排序后导致空指针。
什么是“线程安全的发布”？
- 对象在构造完成后才能被其他线程访问。
- 方式：volatile、静态初始化块、final域、线程安全容器（如ConcurrentHashMap）。

jJ五、代码示例：内存可见性问题

public class VisibilityDemo {
    // 不加volatile可能导致死循环
    private static volatile boolean flag = true;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            while (flag) {} // 线程可能读取到旧的flag值
            System.out.println("Thread stopped.");
        }).start();

        Thread.sleep(1000);
        flag = false; // 主线程修改flag
    }
}

六、面试总结

必考知识点
- volatile的作用与原理
- synchronized的底层实现（Monitor、锁升级）
- Happens-Before原则的规则
- 指令重排序与内存屏障
加分回答
- 结合JMM分析ConcurrentHashMap的线程安全设计。
- 对比JMM与物理内存模型（CPU缓存、MESI协议）。