Java并发编程 - JMM详解

Java内存模型（Java Memory Model，简称JMM）是Java虚拟机规范中定义的一套规则，用于描述Java程序中的内存一致性模型。JMM规定了程序中各种变量（线程共享变量）的访问规则，以及在并发环境下如何保证内存的可见性、有序性和原子性。理解JMM对于正确地编写并发程序至关重要。

Java内存模型的关键概念

1. 主内存与工作内存

• 主内存（Main Memory）：JMM的概念化内存区域，所有线程共享的内存区域，存储了所有线程可见的变量（实例字段、静态字段和数组元素）的最终值。
• 工作内存（Working Memory）：每个线程拥有的私有内存区域，用于存储该线程使用的变量的副本。

2. 内存操作

• lock（锁定）：作用于主内存变量，把一个变量标识为一条线程独占的状态。
• unlock（解锁）：作用于主内存变量，把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定。
• read（读取）：作用于主内存变量，把一个变量的值从主内存转移到线程的工作内存。
• load（载入）：作用于工作内存变量，把read操作从主内存得到的变量值放入工作内存的变量副本中。
• use（使用）：作用于工作内存变量，把工作内存中的一个变量值传送给执行引擎。
• assign（赋值）：作用于工作内存变量，把从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量。
• store（存储）：作用于工作内存变量，把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中。
• write（写入）：作用于主内存变量，它将store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中。

3. 内存可见性

内存可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即看到这个修改。JMM通过在变量修改后将新值刷新回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值，来实现可见性。

4. 原子性

原子性是指一个操作要么全部完成，要么全部不完成。在JMM中，基本数据类型的变量读取和写入是原子操作，而复合操作（如自增）需要通过synchronized等同步机制来保证原子性。

5. 有序性

有序性指的是程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。然而，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令进行重排序。JMM通过在关键代码处插入内存屏障来禁止特定类型的指令重排序，从而保证有序性。

Java内存模型的规则

JMM定义了一系列规则来保证线程之间的正确交互：

1. 不允许读/写重排序：读取操作（read）和写入操作（write）之间不能重排序。
2. 不允许写/写重排序：两个写入操作（write）之间不能重排序。
3. 锁规则：如果一个锁被释放，那么另一个线程可以获取这个锁。锁规则保证了锁的获取和释放操作不会被重排序。
4. volatile变量规则：对volatile变量的写入会使其随后的写入操作发生之前，对volatile变量的读取会使其前面的读取操作发生之后。
5. happens-before规则：如果一个操作happens-before另一个操作，那么第一个操作的结果对第二个操作可见，并且第一个操作按顺序发生在第二个操作之前。

volatile关键字

volatile关键字是JMM提供的一种轻量级的同步机制，它可以保证变量的可见性和有序性，但不保证原子性。当一个变量被声明为volatile时，意味着每次对该变量的写入都会直接写入主内存，每次读取都是直接从主内存中读取。

synchronized关键字

synchronized关键字可以用来保证原子性、可见性和有序性。它通过在变量上加锁来防止多个线程同时访问临界区。synchronized关键字可以用在方法或代码块上。

示例代码

下面是一个使用volatile关键字的简单示例：

public class VolatileExample {

    private volatile boolean stop = false;

    public void doWork() {
        while (!stop) {
            // 执行一些任务
        }
    }

    public void stopWork() {
        stop = true;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        VolatileExample example = new VolatileExample();
        Thread worker = new Thread(example::doWork);
        worker.start();
        Thread.sleep(1000); // 等待一段时间
        example.stopWork(); // 设置停止标志
        worker.join(); // 等待worker线程结束
    }
}
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在这个示例中，stop变量被声明为volatile，这意味着任何对它的写操作都会立即反映到主内存中，并且其他线程读取该变量时会直接从主内存中读取最新的值。

总结

Java内存模型是Java并发编程的基础，理解其核心概念和规则对于编写正确的并发程序至关重要。通过掌握JMM，开发人员可以更好地利用Java提供的并发工具，如volatile和synchronized，以及更高级的并发工具，如Atomic类和Lock接口，来构建高效且可靠的多线程应用程序。