学习笔记04——JMM内存模型

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

1. 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。

2. 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。

3. 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

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

5. 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。

6. 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

1. 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

2. 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）。

掌握JMM是写出高并发代码的基础，也是大厂面试的必考领域！