JVM初学者的福音——Java内存模型（JMM）初探

从零开始的JVM之旅：Java内存模型（JMM）初探

引子

Java内存模型（JMM） 是Java虚拟机（JVM）中的一套规则和规范，它定义了Java程序中的变量是如何存储和共享的，以及线程是如何访问和操作这些变量的。JMM旨在屏蔽掉不同硬件平台和操作系统的内存访问差异，以确保Java程序在各种平台上都能达到一致的并发效果。

一、JMM的基本概念

1. 原子性

原子性是指一个操作要么全部执行，要么不执行，不会出现部分执行的情况。在Java中，基本数据类型的操作（如赋值、算术运算等）都是原子性的。然而，当涉及到复合操作（如对象引用赋值、对象字段赋值等）时，原子性就无法得到保证。例如，以下代码就不是原子性的：

Account account = new Account();
account.deposit(100);

这段代码包含两个操作：创建Account对象和向该对象存入100元。这两个操作可能会被JVM拆分成多个指令，并由不同的线程并发执行。如果在第一个操作执行完之后，第二个操作还没有执行完，此时另一个线程对account对象进行了操作，就有可能导致数据不一致的问题。

2. 可见性

可见性是指一个线程对共享变量所做的修改能够被其他线程立即看到。在Java中，volatile可以用来保证变量的可见性。当一个变量被声明为volatile时，JVM会强制将该变量的修改操作直接写入主内存，并立即从主内存中读取该变量的值，从而确保其他线程能够立即看到该变量的最新值。

3. 有序性

有序性是指一个线程对共享变量所做的修改按照程序执行的顺序对其他线程可见。在Java中，synchronized关键字可以用来保证变量的有序性。当一个线程获得一个对象的锁之后，它对该对象的所有修改操作都将按照程序执行的顺序对其他线程可见。

二、JMM的实现

JMM的实现依赖于底层硬件和操作系统的特性。常见的JMM实现方式包括：

1. 总线锁定

总线锁定是指在共享内存系统中，当一个处理器要访问共享内存时，它需要先获得总线的控制权。当它获得总线的控制权之后，其他处理器就无法访问共享内存。这种方式可以保证原子性和可见性，但会降低系统的性能。

2. 缓存一致性

缓存一致性是指多个处理器的缓存中存储的数据是相同的。当一个处理器修改了缓存中的数据时，它会通知其他处理器，以便其他处理器能够更新自己的缓存。这种方式可以保证可见性，但无法保证原子性。

3. 写入屏障

写入屏障是一种硬件机制，它可以保证一个处理器的修改操作对其他处理器可见。当一个处理器修改了共享内存中的数据时，它会向写入屏障发送一个信号。其他处理器在读取共享内存中的数据之前，必须先检查写入屏障。如果写入屏障中存在信号，则其他处理器必须等待，直到信号消失之后才能读取共享内存中的数据。这种方式可以保证原子性和可见性，但会降低系统的性能。

三、JMM的应用

JMM在Java并发编程中有着广泛的应用，其中包括：

1. 线程安全

JMM的原子性、可见性和有序性可以用来实现线程安全。例如，我们可以使用synchronized关键字来同步对共享变量的访问，以确保共享变量不会被多个线程同时修改。

2. 死锁

JMM的原子性和有序性可以用来避免死锁。例如，我们可以使用两个锁来保护两个共享变量，并按照一定的顺序获取这两个锁，以避免死锁的发生。

3. 性能优化

JMM的可见性可以用来优化Java程序的性能。例如，我们可以使用volatile关键字来修饰共享变量，以避免不必要的内存同步，从而提高程序的性能。

结语

JMM是Java并发编程的基础，掌握JMM的基本概念对于理解和编写并发程序至关重要。在本文中，我们介绍了JMM的基本概念、实现方式和应用场景。希望读者能够通过本文对JMM有一个初步的认识，并在未来的学习和实践中不断深入理解JMM。