Java内存模型（JMM）是每一位Java开发者必须了解的核心知识之一，特别是对于涉足并发编程的开发者来说，JMM是保证多线程程序正确执行的基石。JMM定义了线程与主内存之间的抽象关系，规定了如何通过内存来进行线程间的通信，以及线程如何对内存进行操作。这篇博客旨在让读者理解JMM中的原子性、有序性和可见性这三个关键概念，并探讨如何在Java中实现它们。

1. 原子性（Atomicity）

原子性指的是一个操作是不可分割的，即在执行完毕之前，不会被其他线程干扰。在Java中，原子性主要是通过synchronized关键字和java.util.concurrent包下的原子类（如AtomicInteger）来实现的。

示例：synchronized关键字

public class Counter {private int count = 0;public synchronized void increment() {count++; // 这个动作是原子的}public synchronized int getCount() {return count;}
}

在上述代码中，increment方法和getCount方法通过synchronized关键字标记，这意味着同时只有一个线程能够执行这些同步方法，从而保证了这些操作的原子性。

2. 可见性（Visibility）

可见性指的是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。Java中的可见性是通过volatile关键字、synchronized关键字和final域来保证的。其中，volatile修饰的变量可以确保任何读写操作都直接在主内存中进行。

示例：volatile关键字

public class SharedObject {private volatile boolean flag = false;public void setFlag(boolean flag) {this.flag = flag; // 写操作对其他线程立即可见}public boolean isFlag() {return flag; // 读操作可以立即获取最新的值}
}

volatile变量的读写操作都会直接作用于主内存，从而保证了不同线程间的可见性。底层，JMM通过volatile变量来避免编译器的重排序，同时实现了与MESI缓存一致性协议相关的内存屏障，确保了可见性。

3. 有序性（Ordering）

有序性即线程内的执行顺序按照代码的先后顺序执行，主要通过volatile、synchronized和happens-before原则来保证。happens-before原则是一组规则，用于确定程序中的一个操作结果是否对其他操作可见。

示例：happens-before原则

public class MessagePassing {private volatile int signal;public void sendSignal() {signal = 1;  // 写操作// ... some other operations ...}public void receiveSignal() {if (signal == 1) {// ... the signal is received and acted upon ...// 这里保证了接受信号的操作happens-before于发送信号后的所有操作}}
}

在上面的代码中，写操作happens-before读操作，因为它们是通过同一个volatile变量进行的交互。这意味着一旦信号被写入，它之后的任何读操作都会看到这个变化。

JMM为了保证线程之间的互相可见以及有序性，定义了内存屏障（Memory Barrier），防止指令重排序，确保特定操作的顺序。

总结来说，JMM确保了多线程环境中数据的一致性和线程的互相可见性，而它的三大特性分别通过synchronized和volatile关键字以及原子类等机制得以实现。开发者在编写多线程程序时必须了解和遵守JMM的规则，以避免数据错乱和线程安全问题。

其他

内存屏障

内存屏障（Memory Barrier）是一种处理器和编译器的指令，用于确保内存操作的顺序性以及可见性。在多核处理器系统中，每个核心都有自己的缓存。内存屏障的目的是协调不同核心之间的内存访问，以确保并发程序的正确性和一致性。

内存屏障能够保证一组内存操作不会被重排序，并且能够确保这组内存操作对其他处理器是可见的。它们在多线程环境下非常重要，因为在并发程序中，各个线程可能需要与主内存进行交互，而内存屏障能够确保这种交互的正确性。

在Java中，volatile关键字的作用之一就是在生成的汇编代码中插入内存屏障，来确保对volatile变量的读写操作能够遵守特定的内存顺序，从而实现可见性和禁止重排序。

总的来说，内存屏障是一种处理器和编译器级别的指令，确保了内存操作的顺序性和可见性，对于并发程序的正确性非常关键。

MESI协议

Intel MESI 协议是一种缓存一致性协议，主要用于多处理器系统中，以确保各个处理器的缓存中的数据在多处理器并发访问时保持一致。MESI 协议，即 Modified、Exclusive、Shared 和 Invalid 四种状态，用于描述缓存行的状态，以协调多个处理器对同一块内存区域的并发访问。当一个处理器对一块内存进行读写时，MESI 协议可以通过维护缓存行的状态，确保各个处理器看到的数据是一致的。

在 MESI 协议中，保证了可见性的主要机制是通过缓存行的状态转换来实现的：

• Modified（M）状态：表示缓存行已被修改，对应的内存块中的数据是处理器私有的（即其他缓存中不包含该数据）。这意味着其他处理器看到的是旧数据，并且需要通过缓存一致性协议来保证一致性。
• Exclusive（E）状态：表示缓存行是当前处理器独占的，其数据和内存中的数据是一致的，其他处理器可以读取这块内存数据。因此，保证了可见性。
• Shared（S）状态：表示缓存行的数据和内存中的数据是一致的，并且其他处理器也可以读取这块内存数据，也保证了可见性。
• Invalid（I）状态：表示该缓存行无效，需要重新从内存中读取数据。

当一个处理器对某个内存区域进行修改时，会将缓存行状态从 Shared 转换为 Modified，这时其他处理器的缓存行对应的状态会变为 Invalid。这样，其他处理器再访问该内存区域时，会通过缓存一致性协议发现自己的缓存行是失效的，并重新从内存中读取数据，以保证可见性。