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面试官:什么是 Java 内存模型(JMM)?

JMM 即 Java Memory Model,Java 内存模型。

它的基本目标是:

  • 确保基本的读写操作的原子性:多个线程对一个变量的读写操作是不可分割的

  • 确保线程的可见性:一个线程对共享变量的修改,能够被其他线程看到。

  • 确保线程的有序性:保证代码的执行顺序不会被编译器或 CPU 重新排列,使得代码的执行顺序符合开发者的预期,从而避免在并发环境下出现意外的结果。

操作系统有一套内存模型,而 Java 是跨平台实现的,因此它需要自己定义一套内存模型屏蔽各操作系统之间的差异。

JMM (JSR133) 定义了 Java 源码到 CPU 指令执行一套规范,我们仅需直接使用 Java 提供的并发类(synchronized、volatile 等),知晓它定义的 happens-before 原则,即可写出并发安全的代码,无需关心底层的 CPU 指令重排、多级缓存等各种底层原理。

抽象的来看 JMM 会把内存分为本地内存和主存,每个线程都有自己的私有化的本地内存,然后还有个存储共享数据的主存。

从图中可以看出,变量-1 实际上是一个共享变量,线程 A 和 B 都操作这个变量,如果没有规则约定,那么就会产生并发安全问题。

例如线程 A 修改了变量-1,但是线程 B 是不知道这个情况的,因此它可能会针对老数据进行修改,且修改后刷新到主存,又覆盖了线程 A 的修改。

而由 JMM 就是来定义这两个内存之间的交互规则,我们只要遵守它定义的规则,就不会出现并发安全问题。

这里要注意本地内存只是一种抽象的说法,实际指代:寄存器、CPU 缓存等等。

总之 JMM 屏蔽了各大底层硬件的细节,是抽象出来的一套虚拟机层面的内存规范。

可以参考《Java 并发编程的艺术》对 JMM 的设计示意图:

Happens-Before

上图的 Happens-Before 是 JMM 中的重要概念,用于确定两个操作之间的执行顺序,确保多线程程序的正确性和一致性,底层主要是利用内存屏障来实现的。

具体来说:Happens-Before 关系定义了某个操作的结果对另一个操作可见,即如果操作 A Happens-Before 操作 B,则操作 A 的结果对操作 B 可见。

Happens-Before 规则包括以下几个重要的顺序:

1)程序顺序规则:

在一个线程内,按照代码顺序,前面的操作 Happens-Before 后面的操作。

2)监视器锁规则:

对一个锁的解锁操作 Happens-Before 后续对这个锁的加锁操作。

3)volatile 变量规则:

对一个 volatile 变量的写操作 Happens-Before 后续对这个 volatile 变量的读操作。

4)线程启动规则:

对线程的 Thread.start() 调用 Happens-Before 该线程中的每一个动作。

5)线程终止规则:

线程中的所有操作 Happens-Before 其他线程检测到该线程已经终止(通过 Thread.join()、Thread.isAlive() 返回的值等)。

6)线程中断规则:

对线程的 interrupt() 调用 Happens-Before 检测到中断事件的代码(如 Thread.interrupted() 或 Thread.isInterrupted())。

7)对象终结规则:

一个对象的初始化完成 Happens-Before 它的 finalize() 方法的开始。

8)传递性:

如果操作 A Happens-Before 操作 B,操作 B Happens-Before 操作 C,则操作 A Happens-Before 操作 C。

参考《Java 并发编程的艺术》对 JMM 和 Happens-Before 的关系:

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