JVM_JMM

一、JMM 是什么？

核心定义

        JMM 是一套规范，它定义了Java程序中各种变量（线程共享变量）的访问方式，以及在并发环境下如何保证数据的可见性、有序性和原子性。

关键点：

• 它不是物理内存模型：JMM并不真实存在，它只是一个抽象的规则和约定，描述的是线程和主内存之间的抽象关系。

• 它是一种规范：它规定了JVM如何与计算机内存协同工作，特别是在多线程环境下。

• 它的目标：屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果，从而保证并发程序的正确性。

你可以把它想象成 Java并发世界的“宪法”，它规定了线程之间如何通信、如何共享数据，所有JVM实现（如HotSpot、J9等）都必须遵守这套规范。

二、为什么需要 JMM？—— 解决的问题

计算机硬件（CPU、内存）为了提升性能，做出了一些优化，但这些优化会带来一些问题：

1. CPU高速缓存 vs. 可见性问题

   • 现象：现代CPU都有多级缓存（L1, L2, L3）。线程运行时，会将主内存中的数据拷贝一份到自己的工作内存（CPU缓存）中操作。操作完成后，再写回主内存。

   • 问题：如果一个线程修改了自己工作内存中的副本，但没有及时写回主内存，或者其他线程没有及时从主内存刷新最新值，就会导致其它线程看不到最新的修改。这就是可见性问题。

2. 指令重排序 vs. 有序性问题

   • 现象：为了充分利用CPU资源，编译器和处理器可能会对指令的执行顺序进行重新排序（在不改变单线程程序执行结果的前提下）。

   • 问题：在多线程环境下，这种重排序可能会破坏程序的逻辑，导致结果出乎意料。这就是有序性问题。

JMM就是为了解决这些由硬件优化带来的可见性和有序性问题而存在的。

它通过定义一些关键的关键字（如 volatile、synchronized）和 Happens-Before 规则，为开发者提供了一套可靠的多线程内存访问机制。

三、JMM 的核心结构：主内存与工作内存

JMM从抽象角度将内存划分为两类：

交互流程（简化版）：

1. Read（读取）：线程从主内存读取共享变量到自己的工作内存。

2. Load（加载）：将read操作得到的值放入工作内存的变量副本中。

3. Use（使用）：线程执行引擎使用工作内存中的变量值。

4. Assign（赋值）：线程将一个新值赋给工作内存中的变量副本。

5. Store（存储）：将工作内存中改变后的变量值传递到主内存。

6. Write（写入）：将store操作带来的值放入主内存的变量中。

这个过程图示如下：

正是因为这个复杂的交互过程，如果缺乏同步，就会导致数据不一致。

四、JMM 解决的三大问题

JMM 主要围绕解决以下三个核心问题来设计：

1. 原子性 (Atomicity)

• 问题：一个或多个操作要么全部执行成功，要么全部不执行，中间不能被中断。

• JMM保障：JMM直接保证了基本数据类型的访问、读写是原子性的（long和double非原子性协定，但商用JVM都实现了其原子性）。对于更大范围的代码块，可以通过 synchronized 关键字或 Lock 接口来保证其原子性。

2. 可见性 (Visibility)

• 问题：当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即得知这个修改。

• JMM保障：

  • volatile 关键字：保证修改的值能立即被更新到主内存，并使其他线程中该变量的缓存行失效，从而强制其他线程必须从主内存重新读取最新值。

  • synchronized 关键字：在解锁前，必须将工作内存中的变量同步到主内存（执行store-write）。

  • final 关键字：被 final 修饰的字段在构造完成后就是可见的（前提是没有this引用逸出）。

3. 有序性 (Ordering)

• 问题：程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。禁止指令重排序。

• JMM保障：

  • volatile 关键字：通过插入内存屏障（Memory Barrier）来禁止指令重排序。

  • synchronized 关键字：规定一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作，这使得持有同一个锁的两个同步块只能串行进入，从而保证了有序性。

  • Happens-Before 原则：JMM最核心的规则，天然保证了有序性。

五、Happens-Before 原则

这是JMM的精髓。它定义了哪些操作在内存层面是“可见”的，即前一个操作的结果对后续操作是可见的。无需任何同步手段，如果操作A Happens-Before 操作B，那么A所做的任何操作对B都是可见的。

常见规则：

1. 程序次序规则：在一个线程内，书写在前面的操作先行发生于后面的操作。

2. 管程锁定规则：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。

3. volatile变量规则：对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作。

4. 线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作。

5. 线程终止规则：线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测（如Thread.join()）。

6. 线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生。

7. 对象终结规则：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行发生于它的finalize()方法的开始。

8. 传递性：如果A Happens-Before B，且B Happens-Before C，那么A Happens-Before C。

总结

简单来说，JMM是Java并发编程的基石，它定义了线程如何与内存交互的规则，确保了多线程程序在不同平台上的正确性和可预测性。