詳解 JMM 內存模型

作者：碼農SharkChili 2025-06-06 06:25:07

開發

本文將著重從JMM指令規范以及如何解決程序可見性和有序性兩個問題為入口，為讀者深入剖析JMM內存模型，希望對你有幫助。

一、詳解指令重排序問題

1. 什么是重排序問題

代碼在執行過程從，計算機的不同層級為了提高最終指令執行效率，都可能會對執行響應重排序，以Java程序為例，從編譯到執行會經歷:

生成指令階段：編譯器重排，該階段JMM通過禁止特定類型的編譯器重排序達到要求。
處理器階段：處理器階段存在指令并行重排序和內存系統加載重排序，這種處理器級別的重排序問題，則是要求編譯器在生成指令階段通過插入內存屏障即memory barriers指令禁止特定方式重排序。

2. 編譯器重排序

編譯器(包括 JVM、JIT 編譯器等)重排序即不影響單線程執行結果的情況下，會針對性的重排代碼的效率以提高單線程情況下代碼執行效率。當然這種重排序可能也會存在一些問題，假設我們現在有這樣一段代碼:

兩個CPU核心加載到一段先初始化localNum
各自分別用用變量x、y讀取讀取對方的localNum的值

如下圖所示：

極端情況，假設兩個CPU都發生編譯器重排序就可能出現CPU-0先執行x=lcalNum2，CPU-1執行y=lcalNum1，因為這兩個本地變量初始化賦值指令被重排序，導致x、y最終被設置為0：

對于這種情況，JMM會針對性發生這種重排序的編譯器進行禁止來解決這種問題。

3. 指令重排序

現代的處理器會對某些指令進行重疊執行(采用指令級并行技術(Instruction-Level Parallelism，ILP)，亦或者在不影響執行結果的情況下會允許Java字節碼對應的機器碼指令進行順序調換以提高單線程下代碼的執行效率，這種問題的表象和上述情況類似，這里也就不再演示了。

4. 內存重排序

該方式排序并不是真正意義上的重排序，即處理器為了提升程序的處理效率，會將內存中的數據先加載到自己的cache line上，這使得并發場景下CPU本地內存數據可能與內存中的數據不一致的情況，在JMM上常常表現為主存和本地內存的數據不一致。

如下圖，兩個CPU同時從內存中加載到x為0，然后cpu-0執行程序中的累加指令，在cpu-0未將指令下回內存時，就短暫的出現數據不一致的情況：

5. 如何避免指令重排序

這一點其實在上述各種重排序都已經簡單的說明了：

對于編譯器，會禁止特定類型的編譯器重排序來避免編譯器重排序在多線程情況下帶來的問題。
對于指令重排序即處理器重排序，JVM生成程序指令序列時，會根據情況插入特定的內存屏障(Memory Barrier)來相關指令來告知處理器避免特定類型的指令重排序。

二、詳解Java內存模型JMM

1. 什么是JMM模型

為了屏蔽不同操作系統之間操作系統內存模型的差異，Java定義了屬于自己的內存模型規范解決這個問題。 JMM也可以理解為針對Java并發編程的一組規范，抽象了線程和主內存之間的關系，以類似于volatile、synchronized等關鍵字以解決并發場景下重排序帶來的問題。

JMM規定所有示例對象都必須放置在主存中，所以每個線程需要操作這些數據時就需要將數據拷貝一份到本地內存中在進行相應的操作。

而每個Java將主存中拷貝的變量在完成操作后寫回主存中會經歷以下過程:

lock：首先將變量鎖住，將這個共享變量設置為線程獨占變量。
read：將主存的共享變量讀取到本地內存中。
load：將變量load拷貝一份到本地內存中生成共享變量的副本。
use：將共享變量副本放到執行引擎中。
assign：將共享變量副本賦值給本地內存的變量。
store：將變量放到主內存中
write：寫入主內存對應變量中
unlock：解鎖，該共享變量此時就可以被其他線程操作了。

同時，JMM模型還規定這些操作還得符合以下規范：

線程沒有發任何assign操作的變量不可以寫回主內存中。
新的變量只能在主內存中誕生。這就意味的線程中的變量必須是通過load從主存加載后再通過assign得到的。
一個線程通過lock鎖定主內存變量共享變量時，這個線程可以對其上無數次鎖(即線程可重入)，其他線程就不能在對其上鎖了。
一個線程沒有lock一個共享變量，就不能對其進行unlock。
在執行use操作前，必須清空本地內存，通過load或者assign初始化變量值才可操作本地變量。

2. JVM和JMM有什么區別

JVM規定了運行時的java程序的內存區域劃分，例如實例對象必須放置在堆區等。

而JMM則決定了線程和和主內存之間的關系，例如共享變量必須存放在主內存中。通過定義一系列規范和原則簡化用戶實現并發編程的種種操作且確保Java代碼從編譯到轉為CPU機器碼執行結果都是準確無誤的，也就是說JMM是一種內存模型語義的抽象并非實際的內存模型。

3. 什么是happens-before原則?常見的happens-before原則有哪些？

happens-before也是一種JMM內存模型用來闡述內存可見性的一種規約，對應的happens-before原則共有8條，而常見的有以下5條:

程序順序規則：寫前面的變量happens-before于后面的代碼。
傳遞規則：A happens-before B，B happens-before C，那么A happens-before C
volatile 變量規則：volatile的變量的寫操作， happens-before后續讀該變量的代碼。
線程啟動規則：Thread的start都有先于后面對于該線程的操作。
解鎖規則：對一個鎖的解鎖操作happens-before對這個鎖的加鎖操作

對于不會影響單線程或者多線程指令重排序操作java編譯器不做要求，即不會過分干預編譯器和處理器的大部分優化操作，例如下面這段代碼，在單線程情況下，因為兩者聲明沒有任何關聯，處理器為了提高程序執行的并行度完全可以允許其以任意順序執行，這也就是我們常說的as-if-serial，即沒有強關聯的指令，處理器可以根據自己的優化算法執行，任意重排序，對外結果好像就是串行執行一樣：

而對于某些場景， JMM對于編譯器或處理的某些會影響指令重排序的操作進行禁止，如下所示，getOne和getTwo先于最后計算，計算依賴于前兩個變量，操作即兩個get操作happens-before于最后的計算，但是兩個get操作沒有強關聯，所以JVM這兩段代碼進行指令重排序的時候，JMM是允許的，所以執行時getTwo可能會先于getOne執行。

public static void main(String[] args) {
        int one = getOne();//1
        int two = getTwo();//2
        System.out.println(one + two);//3
    }

    private static int getOne() {
        return1;
    }

    private static int getTwo() {
        return2;
    }

與之相反就是最后的計算，因為依賴于前兩個get，所以JMM模型是明確要求禁止這種情況，于是就提出了happens-before原則，即寫前面的變量happens-before于后面的代碼以及A happens-before B，B happens-before C，那么A happens-before C，按照我們的例子就是每一個get操作都會按照順序寫，因為1操作先于2先于3，所以最終執行順序就是1、2、3。

4. happens-before和JMM有什么關系

JMM原則和禁止重排序的遵循的準則都是基于 happens-before準則要求，也就是要求針對編譯器的指令重排序必須根據該準則通過某種方式落實，最常見的方式就是在生成執行指令前插入內存屏障，避免處理器進行危險的指令重排序。所以，程序員只需理解happens-before原則的抽象即可理解可見性，由此避免去理解底層編譯器和處理器的復雜實現：

5. JMM規范如何解決處理器指令重排序問題

為了保證內存可見性，編譯器在生成指令指令序列時通過內存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序問題，對應的屏障指令有：

loadload：先加載load1先于后load2的操作,保證load1讀取的數據結果對于load2可見。
loadstore：load1的操作先于后store，保證store2的操作可以看見load1讀取數據的最新結果。
storestore：store1寫入操作先于store2，保證store1的寫入操作結果對于store2可見。
storeload：先store的操作對于后load可見，即store操作變量的結果對于后續的load是可見的。

而本質上這些內存屏障在硬件層也就是Load Barrier和Store Barrier兩個屏障，大體來說內存屏障的主要作用有：

組織屏障前后兩個指令重排序。
強制把處理器高速緩沖區數據更新結果寫回主內存，讓其它處理器中緩存數據失效，這也就是大名鼎鼎的MESI協議。

對于Load Barrier而言，若在指令錢插入Load Barrier，該屏障可讀取數據時強制要求處理器將本地cache line設置為無效，直接從內存中讀取數據：

而Store Barrier則是強制要求cpu cache line寫入操作要直接從本地cache line強制刷新到內存中讓其它核心中的cache line數據失效，而JMM規范就是基于這兩個硬件屏障的多種組合保證了操作可見性：

對于java這門語言而言，內存屏障最經典的運用無非是volatile關鍵字，可以看到下面這段代碼，為了保證volatile變量的可見性，即：

在volatile寫的前后分別加入了loadstore和storeload，保證讀取依賴數據后在執行寫入并更新至主存
在volatile變量讀前后分別加入loadload和loadstore保證讀取到正確的數據在執行后續的寫，即后續的寫入操作對于volatile變量可見

private staticint normalData;
    privatestaticvolatileboolean volatileData = false;// volatile確保StoreLoad語義


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            normalData = 1;
            //插入loadload屏障，保證上述數據改變可見
            volatileData = true;
            //插入storeload屏障，保證上述數據寫入改變可見
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            //插入loadload屏障，保證volatile讀可見之前的讀
            while (!volatileData) {
                //插入loadstore屏障，保證后續寫可見volatile變量結果
            }
            System.out.println(normalData);
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
    }

責任編輯：趙寧寧來源：寫代碼的SharkChili