面試官：什么是Java內(nèi)存模型？

作者：磊哥 2024-02-22 15:36:23

當(dāng)問(wèn)到 Java 內(nèi)存模型的時(shí)候，一定要注意，Java 內(nèi)存模型（Java Memory Model，JMM）它和 JVM 內(nèi)存布局（JVM 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域）是不一樣的，它們是兩個(gè)完全不同的概念。

1.為什么要有 Java 內(nèi)存模型？

Java 內(nèi)存模型存在的原因在于解決多線程環(huán)境下并發(fā)執(zhí)行時(shí)的內(nèi)存可見性和一致性問(wèn)題。在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，尤其是多處理器架構(gòu)下，每個(gè)處理器都有自己的高速緩存，而主內(nèi)存（RAM）是所有處理器共享的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域。當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)和修改同一塊共享數(shù)據(jù)時(shí)，如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)耐綑C(jī)制，就可能導(dǎo)致以下問(wèn)題：

可見性：一個(gè)線程對(duì)共享變量所做的修改可能不會(huì)立即反映到另一個(gè)線程的視角中，因?yàn)檫@些修改可能只存在于本地緩存中，并未刷新回主內(nèi)存。
有序性：編譯器和處理器為了優(yōu)化性能，可能會(huì)對(duì)指令進(jìn)行重排序，這可能導(dǎo)致程序在單線程環(huán)境中看似按照源代碼順序執(zhí)行，但在多線程環(huán)境中的實(shí)際執(zhí)行順序卻與預(yù)期不同。
原子性：即使是最簡(jiǎn)單的讀取或賦值操作，在硬件層面也不一定保證是原子性的，即在沒(méi)有同步的情況下，多線程下可能看到操作只執(zhí)行了一部分的結(jié)果。

Java 內(nèi)存模型通過(guò)定義一套規(guī)則來(lái)規(guī)范并限制編譯器、運(yùn)行時(shí)以及處理器對(duì)內(nèi)存訪問(wèn)的重排序行為，確保了多線程間的交互具有明確的語(yǔ)義。它規(guī)定了共享變量的訪問(wèn)規(guī)則、提供了 happens-before 原則以及 volatile 關(guān)鍵字、synchronized 等工具來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)存可見性和一致性的保障。這樣，程序員在編寫并發(fā)代碼時(shí)，可以依據(jù)這些規(guī)則來(lái)確保代碼的正確執(zhí)行，從而避免由于多線程帶來(lái)的不確定性和錯(cuò)誤。

如果沒(méi)有 Java 內(nèi)存模型就會(huì)出現(xiàn)以下兩大問(wèn)題：

CPU 和內(nèi)存一致性問(wèn)題。
指令重排序問(wèn)題。

具體內(nèi)容如下。

（1）一致性問(wèn)題

要講明白緩存一致性問(wèn)題，要從計(jì)算機(jī)的內(nèi)存結(jié)構(gòu)說(shuō)起，它的結(jié)構(gòu)是這樣的：

所以從上面可以看出計(jì)算機(jī)的重要組成部分包含以下內(nèi)容：

CPU
CPU 寄存器：也叫 L1 緩存，一級(jí)緩存。
CPU 高速緩存：也叫 L2 緩存，二級(jí)緩存。
（主）內(nèi)存

當(dāng)然，部分高端機(jī)器還有 L3 三級(jí)緩存。

由于主內(nèi)存與 CPU 處理器的運(yùn)算能力之間有數(shù)量級(jí)的差距，所以在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)內(nèi)存架構(gòu)中會(huì)引入高速緩存（L2）來(lái)作為主存和處理器之間的緩沖，CPU 將常用的數(shù)據(jù)放在高速緩存中，運(yùn)算結(jié)束后 CPU 再講運(yùn)算結(jié)果同步到主內(nèi)存中，這樣就會(huì)導(dǎo)致多個(gè)線程在進(jìn)行操作和同步時(shí)，導(dǎo)致 CPU 緩存和主內(nèi)存數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題。

（2）重排序問(wèn)題

由于有 JIT（Just In Time，即時(shí)編譯）技術(shù)的存在，它可能會(huì)對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化，比如將原本執(zhí)行順序?yàn)?a -> b -> c 的流程，“優(yōu)化”成 a -> c -> b 了，但這樣優(yōu)化之后，可能會(huì)導(dǎo)致我們的程序在某些場(chǎng)景執(zhí)行出錯(cuò)，比如單例模式雙重效驗(yàn)鎖的場(chǎng)景，這就是典型的好心辦壞事的事例。

2.定義

Java 內(nèi)存模型（Java Memory Model，簡(jiǎn)稱 JMM）是一種規(guī)范，它定義了 Java 虛擬機(jī)（JVM）在計(jì)算機(jī)內(nèi)存（RAM）中的工作方式，即規(guī)范了 Java 虛擬機(jī)與計(jì)算機(jī)內(nèi)存之間是如何協(xié)同工作的。具體來(lái)說(shuō)，它規(guī)定了一個(gè)線程如何和何時(shí)可以看到其他線程修改過(guò)的共享變量的值，以及在必須時(shí)如何同步地訪問(wèn)共享變量。

3.規(guī)范內(nèi)容

Java 內(nèi)存模型主要包括以下內(nèi)容：

主內(nèi)存（Main Memory）：所有線程共享的內(nèi)存區(qū)域，包含了對(duì)象的字段、方法和運(yùn)行時(shí)常量池等數(shù)據(jù)。
工作內(nèi)存（Working Memory）：每個(gè)線程擁有自己的工作內(nèi)存，用于存儲(chǔ)主內(nèi)存中的數(shù)據(jù)的副本，線程只能直接操作工作內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。
內(nèi)存間交互操作：線程通過(guò)讀取和寫入操作與主內(nèi)存進(jìn)行交互。讀操作將數(shù)據(jù)從主內(nèi)存復(fù)制到工作內(nèi)存，寫操作將修改后的數(shù)據(jù)刷新到主內(nèi)存。
原子性（Atomicity）：JMM 保證基本數(shù)據(jù)類型（如 int、long）的讀寫操作具有原子性，即不會(huì)被其他線程干擾，保證操作的完整性。
可見性（Visibility）：JMM 確保一個(gè)線程對(duì)共享變量的修改對(duì)其他線程可見。這意味著一個(gè)線程在工作內(nèi)存中修改了數(shù)據(jù)后，必須將最新的數(shù)據(jù)刷新到主內(nèi)存，以便其他線程可以讀取到更新后的數(shù)據(jù)。
有序性（Ordering）：JMM 保證程序的執(zhí)行順序按照一定的規(guī)則進(jìn)行，不會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)的重排序現(xiàn)象。這包括了編譯器重排序、處理器重排序和內(nèi)存重排序等。

Java 內(nèi)存模型通過(guò)以上規(guī)則和語(yǔ)義，提供了一種統(tǒng)一的內(nèi)存訪問(wèn)方式，使得多線程程序的行為可預(yù)測(cè)、可理解，并幫助開發(fā)者編寫正確和高效的多線程代碼。開發(fā)者可以利用 JMM 提供的同步機(jī)制（如關(guān)鍵字 volatile、synchronized、Lock 等）來(lái)實(shí)現(xiàn)線程之間的同步和通信，以確保線程安全和數(shù)據(jù)一致性。

內(nèi)存模型的簡(jiǎn)單執(zhí)行示例圖如下：

（1）主內(nèi)存和工作內(nèi)存交互規(guī)范

為了更好的控制主內(nèi)存和本地內(nèi)存的交互，Java 內(nèi)存模型定義了八種操作來(lái)實(shí)現(xiàn)（以下內(nèi)容只需要簡(jiǎn)單了解即可）：

lock（鎖定）：作用于主內(nèi)存的變量，把一個(gè)變量標(biāo)識(shí)為一條線程獨(dú)占狀態(tài)。
unlock（解鎖）：作用于主內(nèi)存變量，把一個(gè)處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來(lái)，釋放后的變量才可以被其他線程鎖定。
read（讀取）：作用于主內(nèi)存變量，把一個(gè)變量值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)骄€程的工作內(nèi)存中，以便隨后的 load 動(dòng)作使用
load（載入）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把 read 操作從主內(nèi)存中得到的變量值放入工作內(nèi)存的變量副本中。
use（使用）：作用于工作內(nèi)存的變量，把工作內(nèi)存中的一個(gè)變量值傳遞給執(zhí)行引擎，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個(gè)需要使用變量的值的字節(jié)碼指令時(shí)將會(huì)執(zhí)行這個(gè)操作。
assign（賦值）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把一個(gè)從執(zhí)行引擎接收到的值賦值給工作內(nèi)存的變量，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個(gè)給變量賦值的字節(jié)碼指令時(shí)執(zhí)行這個(gè)操作。
store（存儲(chǔ)）：作用于工作內(nèi)存的變量，把工作內(nèi)存中的一個(gè)變量的值傳送到主內(nèi)存中，以便隨后的write的操作。
write（寫入）：作用于主內(nèi)存的變量，它把 store 操作從工作內(nèi)存中一個(gè)變量的值傳送到主內(nèi)存的變量中。