什么是 Java 内存模型（JMM）？
Java 内存模型（Java Memory Model, JMM）是一个抽象的概念，它描述了 Java 程序中各种变量（线程共享变量）的访问规则，以及在 JVM 中将变量存储到内存和从内存中读取变量这样的底层细节。
它的核心目标是解决在多线程环境下，由于存在本地缓存、指令重排序等问题导致的可见性、原子性和有序性问题，从而为开发者提供一套可靠的并发编程保证。
为了更好地理解，我们首先要区分 JMM 和 JVM 内存结构（如堆、栈、方法区）：
- JVM 内存结构：描述的是 运行时数据区 的划分，是 JVM 在物理上（或者说是逻辑上）如何管理内存的。它关心的是“数据存哪里”。
- Java 内存模型：描述的是 线程和主内存之间的抽象关系，是一组规则和规范。它关心的是“在多线程环境下，如何正确地访问共享变量”。
JMM 的作用（为什么要存在 JMM？）
JMM 主要为了解决三个核心问题，这也是并发编程中的“三恶”：
-
可见性（Visibility）
- 问题：一个线程修改了共享变量的值，其他线程能否立即看到修改后的值。
- 根源：现代CPU为了性能，每个线程都有自己的工作内存（可以理解为CPU高速缓存），线程操作数据首先是在自己的工作内存中进行的，之后才刷新到主内存。这就可能导致一个线程的修改不会立刻被其他线程看到。
- JMM 的作用：通过一套规则（如
volatile、synchronized等关键字），保证一个线程对共享变量的写操作能可见于其他线程的后续读操作。
-
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，中间不能被任何因素打断。
- 根源：即使是简单的
i++操作，在底层也是由“读取、计算、写入”多个步骤完成的。在多线程环境下，这些步骤可能会被交错执行，导致结果不符合预期。 - JMM 的作用：通过
synchronized关键字或Lock接口来保证大块代码的原子性，并通过java.util.concurrent.atomic包下的原子类（如AtomicInteger）来保证单一变量的简单操作的原子性。
-
有序性（Ordering）
- 问题：程序执行的顺序不一定就是代码编写的顺序。
- 根源：为了优化性能，编译器和处理器常常会对指令进行重排序。在单线程环境下，重排序不会影响最终结果（遵循 as-if-serial 语义）。但在多线程环境下，重排序可能会导致意想不到的问题。
- JMM 的作用：通过
volatile、synchronized等关键字建立 “happens-before” 规则，禁止特定类型的编译器重排序和处理器重排序，从而保证有序性。
JMM 的实现途径（如何保证可见性、有序性、原子性？）
JMM 定义了一系列的规则，而具体的实现则是通过使用特定的关键字和类库。
1. 主内存与工作内存的交互协议
JMM 定义了8种原子操作来完成主内存与工作内存之间的交互，如 lock（锁定）、unlock（解锁）、read（读取）、load（载入）、use（使用）、assign（赋值）、store（存储）、write（写入）。这些操作本身是原子的，但组合起来不一定原子。synchronized 就是通过这些底层操作来实现的。
2. 关键字和类库
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synchronized关键字：- 原子性：通过
monitorenter和monitorexit指令，确保同步代码块在同一时刻只有一个线程能执行。 - 可见性：JMM 规定，在释放锁之前，必须将工作内存中的变量刷新到主内存；在获取锁之后，必须清空工作内存，从主内存重新加载变量。
- 有序性：
synchronized同步块内的代码可以重排序，但不会逃逸到同步块之外（遵循管程锁定规则）。它保证了只有一个线程能进入临界区，所以内部的重排序不会影响最终结果。
- 原子性：通过
-
volatile关键字：- 可见性：当一个变量被声明为
volatile后，任何线程对它进行写操作，都会立即刷新到主内存。任何线程对它进行读操作，都会从主内存中重新读取最新值。 - 有序性：通过添加内存屏障（Memory Barrier） 来禁止指令重排序。
- 写
volatile变量时，屏障确保之前的操作都已完成且结果对后续操作可见。 - 读
volatile变量时，屏障确保后续的所有读/写操作都在该读操作之后进行。
- 写
- 注意：
volatile不保证原子性（例如volatile int i; i++；不是原子操作）。
- 可见性：当一个变量被声明为
-
final关键字：- 只要对象是正确构造的（没有
this引用逸出），被final修饰的字段在初始化后，其值就能保证对其他线程立即可见。
- 只要对象是正确构造的（没有
-
java.util.concurrent包：- 原子类（
AtomicInteger,AtomicReference等）：通过 CAS（Compare-And-Swap）操作和volatile值相结合，提供了高效的原子操作，无需加锁。 - 锁（
Lock接口，如ReentrantLock）：提供了比synchronized更灵活的锁操作，同样能保证原子性、可见性和有序性。 - 并发容器（
ConcurrentHashMap,CopyOnWriteArrayList等）：内部使用各种技巧（如分段锁、写时复制）来实现线程安全和高性能。 - 注意: 并发包下的类都能保证线程安全，但是并不是所有类都能保证内存可见性，能实现内存可见性的类底层都是通过volatile（如
atomic包下的原子类）和synchronized（如ReentrantLock）保证的。
- 原子类（
3. Happens-Before 原则
这是 JMM 最核心的理论基础，是一组判断数据是否存在竞争、线程是否安全的规则。它无需任何同步手段辅助，是 JMM 提供给程序员的内存可见性保证。如果操作 A happens-before 于操作 B，那么 A 的结果对 B 可见。
常见的 happens-before 规则包括：
- 程序次序规则：一个线程内，前面的操作 happens-before 于后续的任何操作。
- 监视器锁规则：对一个锁的解锁 happens-before 于随后对这个锁的加锁。
- volatile变量规则：对一个 volatile 变量的写操作 happens-before 于后续对这个变量的读操作。
- 传递性：如果 A happens-before B，且 B happens-before C，那么 A happens-before C。
总结
| 特性 | 问题描述 | JMM 实现途径 |
|---|---|---|
| 可见性 | 一个线程的修改，其他线程看不到 | synchronized, volatile, final |
| 原子性 | 操作被中途打断，结果不完整 | synchronized, Lock, 原子类（AtomicXXX） |
| 有序性 | 代码执行顺序与预期不符 | synchronized, volatile, happens-before 规则 |
Java 内存模型（JMM）是一套规范，它通过定义线程和主内存之间的抽象关系，以及提供 happens-before 规则，屏蔽了底层硬件（CPU缓存、指令重排序）的差异。Java 开发者通过使用 synchronized、volatile 等关键字和 java.util.concurrent 工具包来遵循这套规范，从而编写出正确、高效的多线程程序。简单来说，JMM 是规则，而 synchronized 和 volatile 是实现这些规则的工具。
