Java内存模型

Java内存模型（Java Memory Model, JMM）是Java虚拟机（JVM）规范中定义的一种抽象模型，用于描述多线程环境下，线程如何与内存交互以及如何保证线程之间的可见性、有序性和原子性。JMM是理解Java并发编程的基础。

1. Java内存模型的核心概念

Java内存模型定义了以下核心概念：

（1）主内存（Main Memory）

主内存是所有线程共享的内存区域，存储了所有的变量（实例字段、静态字段等）。
主内存是线程之间通信的桥梁。

（2）工作内存（Working Memory）

每个线程都有自己的工作内存，存储了该线程使用的变量的副本。
线程对变量的所有操作（读取、赋值等）都发生在工作内存中，不能直接操作主内存。

（3）内存间的交互

线程不能直接操作主内存中的变量，而是需要通过以下操作与主内存交互：
- 读取（Read）：从主内存中读取变量的值到工作内存。
- 加载（Load）：将读取的值放入工作内存的变量副本中。
- 使用（Use）：线程使用工作内存中的变量值。
- 赋值（Assign）：线程将新值赋给工作内存中的变量。
- 存储（Store）：将工作内存中的变量值写回主内存。
- 写入（Write）：将存储的值更新到主内存中的变量。

2. Java内存模型的三大特性

JMM通过以下三大特性来保证多线程程序的正确性：

（1）原子性（Atomicity）

原子性是指一个操作是不可分割的，要么全部执行成功，要么全部不执行。
示例：
- 基本数据类型的读写操作是原子的（如int、boolean等）。
- 但long和double的读写操作在32位JVM中可能不是原子的。
如何保证原子性：
- 使用synchronized关键字。
- 使用java.util.concurrent.atomic包中的原子类（如AtomicInteger）。

（2）可见性（Visibility）

可见性是指一个线程对共享变量的修改能够及时被其他线程看到。
问题：
- 由于线程的工作内存是独立的，一个线程修改了共享变量后，其他线程可能无法立即看到修改。
如何保证可见性：
- 使用volatile关键字。
- 使用synchronized关键字。
- 使用final关键字（确保变量在构造完成后可见）。

（3）有序性（Ordering）

有序性是指程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。
问题：
- 由于指令重排序（编译器、处理器优化），代码的执行顺序可能与编写顺序不一致。
如何保证有序性：
- 使用volatile关键字（禁止指令重排序）。
- 使用synchronized关键字。
- 使用happens-before规则。

3. happens-before规则

happens-before规则是JMM中定义的一组规则，用于描述多线程操作之间的可见性和有序性。如果操作A happens-before 操作B，那么操作A的结果对操作B可见。

happens-before规则包括：

程序顺序规则：在一个线程中，前面的操作happens-before后面的操作。
volatile规则：对一个volatile变量的写操作happens-before后续对该变量的读操作。
锁规则：解锁操作happens-before后续的加锁操作。
线程启动规则：线程的start()方法happens-before该线程的任何操作。
线程终止规则：线程的所有操作happens-before其他线程检测到该线程已经终止。
传递性规则：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。

4. volatile关键字

volatile是JMM中用于保证可见性和有序性的关键字。

volatile的作用：

保证可见性：对volatile变量的写操作会立即刷新到主内存，读操作会从主内存中读取最新值。
禁止指令重排序：volatile变量的读写操作不会被重排序。

volatile的局限性：

volatile只能保证单个变量的原子性，不能保证复合操作的原子性（如i++）。

5. synchronized关键字

synchronized是JMM中用于保证原子性、可见性和有序性的关键字。

synchronized的作用：

保证原子性：同一时刻只有一个线程可以执行synchronized代码块。
保证可见性：线程在释放锁时会将工作内存中的变量刷新到主内存，获取锁时会从主内存中读取最新值。
保证有序性：synchronized代码块内的操作不会被重排序。

6. final关键字

final关键字也可以用于保证可见性。

final的作用：

被final修饰的字段在构造完成后，对其他线程可见。
禁止指令重排序，确保对象构造完成后才能被其他线程访问。

7. Java内存模型的实现

JMM的具体实现依赖于JVM。不同的JVM实现（如HotSpot、OpenJ9等）可能会采用不同的优化策略，但都必须遵守JMM的规范。

总结

Java内存模型（JMM）是Java并发编程的核心，它通过定义主内存、工作内存以及内存间的交互规则，保证了多线程程序的原子性、可见性和有序性。理解JMM的关键在于掌握happens-before规则、volatile和synchronized的作用，以及如何通过这些机制编写正确的并发程序。

内存区域

定义：JVM内存区域是JVM在运行时管理内存的具体实现，描述了Java程序运行时内存的物理划分。
核心：JVM内存区域关注的是内存的物理分配和管理。
主要内容：
- 堆（Heap）：存储对象实例和数组，是所有线程共享的内存区域。
- 栈（Stack）：每个线程私有的内存区域，存储局部变量、方法调用栈帧等。
- 方法区（Method Area）：存储类信息、常量、静态变量等，是所有线程共享的内存区域。
- 程序计数器（PC Register）：每个线程私有的内存区域，存储当前线程执行的指令地址。
- 本地方法栈（Native Method Stack）：为Native方法服务的内存区域。

JMM与JVM内存区域的关系

JMM和JVM内存区域是两个不同层次的概念，但它们之间有一定的联系：

（1）主内存与堆、方法区

JMM中的主内存可以理解为JVM内存区域中的堆和方法区。
- 堆中存储的对象实例和数组是所有线程共享的，因此可以看作是主内存的一部分。
- 方法区中存储的类信息、静态变量等也是所有线程共享的，因此也可以看作是主内存的一部分。

（2）工作内存与栈

JMM中的工作内存可以理解为JVM内存区域中的栈。
- 每个线程的栈中存储了局部变量、方法调用栈帧等，这些是线程私有的，因此可以看作是工作内存的一部分。

（3）内存交互与JVM内存区域

JMM中定义的内存交互操作（如Read、Load、Use、Assign、Store、Write）实际上是在JVM内存区域中进行的。
- 例如，线程从主内存（堆或方法区）读取变量到工作内存（栈），或者将工作内存中的变量写回主内存。

4. JMM与JVM内存区域的侧重点

JMM：
- 关注的是多线程环境下，线程如何与内存交互以及如何保证线程之间的可见性、有序性和原子性。
- 是一个抽象的概念，与具体的硬件和JVM实现无关。
JVM内存区域：
- 关注的是Java程序运行时内存的物理划分和管理。
- 是JVM的具体实现，与硬件和JVM实现相关。

5. 示例

以下是一个简单的示例，说明JMM和JVM内存区域的关系：

public class Example {
    private static int sharedVar = 0; // 存储在方法区（主内存）
    private int instanceVar = 0;      // 存储在堆（主内存）

    public void method() {
        int localVar = 1; // 存储在栈（工作内存）
        sharedVar = localVar; // 从工作内存读取localVar，写入主内存的sharedVar
        instanceVar = localVar; // 从工作内存读取localVar，写入主内存的instanceVar
    }
}

JMM视角：
- sharedVar和instanceVar是主内存中的变量。
- localVar是工作内存中的变量。
- 线程在method()方法中对sharedVar和instanceVar的写操作需要遵循JMM的规则（如可见性、有序性）。
JVM内存区域视角：
- sharedVar存储在方法区。
- instanceVar存储在堆中。
- localVar存储在栈中。

总结

Java内存模型（JMM）是一个抽象的概念，定义了多线程环境下线程如何与内存交互，关注的是可见性、有序性和原子性。
JVM内存区域是JVM在运行时管理内存的具体实现，包括堆、栈、方法区等，关注的是内存的物理分配和管理。
JMM中的主内存对应JVM内存区域中的堆和方法区，工作内存对应栈。
理解JMM和JVM内存区域的关系，有助于更好地掌握Java并发编程和内存管理的知识。

同步机制理解补充

在没有同步机制（如volatile、synchronized等）的情况下，即使一个线程执行了类似sharedVar = localVar;这样的指令，其他线程也可能无法立即看到sharedVar的变化。这是因为Java内存模型（JMM）允许线程将共享变量的值缓存在自己的工作内存中，而不是每次都从主内存中读取或写入。

1. 为什么其他线程可能看不到修改？

工作内存的独立性：
- 每个线程都有自己的工作内存，存储了主内存中共享变量的副本。
- 线程对共享变量的操作（读取、赋值等）都是在其工作内存中进行的，而不是直接操作主内存。
缓存一致性问题：
- 当一个线程修改了共享变量（如sharedVar），这个修改可能只会更新到该线程的工作内存中，而不会立即写回主内存。
- 其他线程的工作内存中仍然保存着旧的变量值，因此无法看到最新的修改。

2. 示例代码分析

public class Example {
    private static int sharedVar = 0; // 共享变量，存储在方法区（主内存）

    public void update() {
        int localVar = 1; // 局部变量，存储在栈（工作内存）
        sharedVar = localVar; // 将localVar的值赋给sharedVar
    }

    public void print() {
        System.out.println(sharedVar); // 读取sharedVar的值
    }
}

情景：
- 线程A调用update()方法，将sharedVar的值更新为1。
- 线程B调用print()方法，读取sharedVar的值。
问题：
- 如果线程A对sharedVar的修改没有及时写回主内存，或者线程B没有从主内存中读取最新的值，那么线程B可能会输出0（旧值），而不是1（新值）。

3. 如何保证其他线程能看到修改？

为了确保一个线程对共享变量的修改对其他线程可见，需要使用同步机制。以下是几种常见的方式：

（1）使用`volatile`关键字

volatile可以保证变量的可见性。
当一个线程修改了volatile变量时，新值会立即写回主内存。
当其他线程读取volatile变量时，会从主内存中读取最新值。

private static volatile int sharedVar = 0; // 使用volatile修饰

（2）使用`synchronized`关键字

synchronized可以保证原子性、可见性和有序性。
当一个线程释放锁时，会将工作内存中的变量写回主内存。
当另一个线程获取锁时，会从主内存中读取最新值。

public synchronized void update() {
    int localVar = 1;
    sharedVar = localVar;
}

public synchronized void print() {
    System.out.println(sharedVar);
}

（3）使用`java.util.concurrent`工具类

AtomicInteger、ReentrantLock等工具类也可以保证可见性和原子性。

private static AtomicInteger sharedVar = new AtomicInteger(0);

public void update() {
    sharedVar.set(1); // 原子更新
}

public void print() {
    System.out.println(sharedVar.get()); // 原子读取
}

4. happens-before规则

JMM通过happens-before规则来定义操作之间的可见性。如果操作A happens-before 操作B，那么操作A的结果对操作B可见。

示例：
- 线程A在释放锁之前修改了sharedVar。
- 线程B在获取锁之后读取sharedVar。
- 根据happens-before规则，线程A的修改对线程B可见。

在没有同步机制的情况下，一个线程对共享变量的修改可能不会立即对其他线程可见。
为了保证可见性，可以使用volatile、synchronized或java.util.concurrent工具类。
理解JMM的可见性和happens-before规则，是编写正确并发程序的关键。

在你的例子中，如果sharedVar没有被volatile修饰，或者没有使用其他同步机制，那么其他线程可能无法立即看到sharedVar的变化。

Java内存模型JMM和内存区域