Java多线程系列——内存模型JMM

核心思想

关键概念

1. 可见性

2. 原子性

3. 有序性

工作原理

并发工具类

对并发编程的影响

同步策略

JMM的实践意义

结语

Java内存模型（Java Memory Model, JMM）是Java并发编程中的核心概念，其定义了Java虚拟机（JVM）在多线程环境中如何以及何时可以看到其他线程写入的变量值，以及如何同步访问共享变量。JMM解决了可见性、原子性、有序性这些在多线程编程中常见的问题。接下来，我们将详细探讨Java内存模型的关键组成部分、工作原理以及它如何影响Java并发编程。

核心思想

JMM围绕内存可见性、原子性和有序性的概念展开，通过定义一系列规则（happens-before规则）来保证并发环境下的线程安全性。JMM确保在多线程执行时，对共享变量的写入能够及时、安全地被其他线程感知。

关键概念

1. 可见性

内存可见性问题发生在多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，但这个新值对其他线程来说不可见。JMM通过volatile关键字提供了一种轻量级的同步机制，保证了对volatile变量的写操作对其他线程立即可见。此外，synchronized和Lock等同步机制也可以解决可见性问题，它们保证只有持有同一个锁的线程才能访问被保护的资源。

2. 原子性

在并发编程中，原子性指的是一个或一系列操作在CPU执行的过程中不被中断的特性。JMM通过synchronized和Lock等机制提供了原子性保证。当一个线程进入一个synchronized块时，它会获取一个锁，直到线程退出synchronized块时才释放锁。这期间，其他线程无法进入这个或任何其他由同一个锁保护的synchronized块。例如，i++操作不是原子性的，它包含读取i的值、增加1、写回新值三个步骤，任何步骤都可能被其他线程中断。

3. 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。在JMM中，由于编译器优化和处理器优化（即指令重排），程序执行可能会与代码顺序不一致。volatile关键字在这里扮演了重要角色，它可以防止指令重排，保证写操作之前的操作不会被编译器优化到写操作之后。

工作原理

Java内存模型通过happens-before原则来保证以上三个特性，这个原则定义了内存写入和读取的顺序，确保在没有其他同步手段的情况下，线程之间的操作顺序是可预测的。

锁定（Synchronization）：当一个线程进入一个同步块时，它会看到由同一个锁保护之前所有的修改效果。
volatile变量规则：对一个volatile变量的写，对后续对这个volatile变量的读可见。
线程启动规则：Thread对象的start()方法之前的写操作，对这个线程可见。
线程终止规则：线程中的所有操作都对检测这个线程已经终止的所有线程可见。
终结器规则：对象的构造函数执行结束之前对一个对象的写操作，对调用这个对象的finalize方法可见。

并发工具类

Java提供了丰富的并发工具类，如在java.util.concurrent包下的类，包括线程池（Executors）、并发集合（如ConcurrentHashMap）、同步器（如Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier）等。这些工具类的设计充分利用了JMM的特性，为开发高效、线程安全的并发应用提供了强有力的支持。

对并发编程的影响

Java内存模型对于设计线程安全的并发程序至关重要。开发者需要正确地使用同步机制（例如synchronized关键字、volatile变量、Lock接口等）来保证操作的原子性、可见性和有序性，避免并发编程中的常见问题，如死锁、数据竞争等。

同步策略

封装共享变量：尽量将共享变量私有化，通过内部机制控制对它们的访问。
最小锁定范围：尽量缩小锁的范围，只在需要同步的代码区域使用锁。
使用高级并发API：Java提供了java.util.concurrent包，其中包含了设计用于处理并发的高级API，如ExecutorService、ConcurrentHashMap等，这些API利用了Java内存模型的特性，为开发高效并发应用提供了便利。