JMM内存分析

Java的内存模型，实际上就是JMM(Java Memory Model)，它描述了一系列的规则或者是规范，用来解决多线程的共享变量问题，比如 volatile、synchronized等关键字。

面试经历：JMM内存 -> 三个关键词 -> 并发编程

(1)，JMM的结构

JMM 分为主存储器（Main Memory）和工作存储器（Working Memory）两种。

• 主存储器是实例位置所在的区域，所有的实例都存在于主存储器内。比如，实例所拥有的字段即位于主存储器内，主存储器是所有的线程所共享的。
• 工作存储器是线程所拥有的作业区，每个线程都有其专用的工作存储器。工作存储器存有主存储器中必要部分的拷贝，称之为工作拷贝（Working Copy）。

在这个模型中，线程无法对主存储器直接进行操作。如果两个不同的线程通信，如线程 A 想要和线程 B 通信，只能通过主存进行交换。 => 正是因为这个设计，需要一些原子操作（Action）来控制主存和工作内存的交互。

(2)，三大特性

1)，原子性

JMM 保证了 read、load、assign、use、store 和 write六个操作具有原子性，对其他基本数据类型所对应的内存单元的访问读写都是原子的。

• (1)，Long和Double类型比较特殊，在64位系统中是可以可以保证原子性的，但是在32位的系统中，对64位的数据读写就需要多条指令来完成，所以不具备原子性。
• (2)，为了保证long和double类型的原子性
  • 使用synchronized关键字或Lock对象来实现线程间的同步，确保对long和double类型的读写操作是原子的。
  • 使用AtomicLong、AtomicDouble等原子类，这些类提供了针对long和double类型的原子操作方法，可以确保读写操作的原子性。
  • 使用volatile关键字来修饰long和double类型的变量，可以保证可见性，即一个线程对变量的修改对其他线程是可见的。对于原子性的实现表述：volatile可以保证对变量的单个读写操作的原子性，但无法保证多个操作的原子性。如果需要进行复合操作，比如一个由多个读写操作组成的原子操作，仍然需要使用synchronized关键字或者java.util.concurrent.atomic包中提供的原子类来实现线程安全。

自用-常用分析图-JMM内存原子操作梳理.drawio.png

原子操作的具体实现：

1. Read（读取）：作用于主内存，负责将主内存中数据传入到线程的工作内存中。
2. Load（载入）：作用于工作内存，把Read操作的值读入到工作内存的变量副本中。
3. Store（存储）：作用于工作内存，负责将工作内存的一个变量传入到主内存中。
4. Write（写入）：作用于主内存，把Store传入的值写入到主内存的变量。
5. Use（使用）：作用于工作内存，当虚拟机中有使用到这个变量的时候，会调用该指令，即负责将工作内存的值传递给执行引擎。
6. Assign（赋值）：作用于工作内存，负责将执行引擎传入的变量赋值给工作内存的变量。
7. Lock（锁定）：作用于主内存，把变量标记为线程独占状态。
8. Unlock（解锁）：作用于主内存，负责释放独占状态。

2)，可见性

可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程也能立即感知到这种变化。volatile、synchronized、final 和锁，都是保证可见性的方式。

1. volatile 关键字的变量，每当变量的值有变动时，都会把更改立即同步到主内存中；而如果某个线程想要使用这个变量，则先要从主存中刷新到工作内存上，这样就确保了变量的可见性。
2. 锁和同步关键字就比较好理解一些，它是把更多个操作强制转化为原子化的过程。由于只有一把锁，变量的可见性就更容易保证。 => 即通过原子化来避免其他的线程获取，从而保证变量的可见性只会是自己。

3)，有序性

指令重排序是 JVM 为了优化指令，来提高程序运行效率的，在不影响单线程程序执行结果的前提下，按照一定的规则进行指令优化，从而会表现出“无序性”。而通过添加上volatile关键字，禁止重排序，可以确保程序的“有序性”。

(3)，内存屏障

内存屏障(Memory Barrier)的作用是在特定的条件下的重排序和内存可见性问题。Java编译器在生成字节码的时候，会在执行指令序列的适当位置插入内存屏障来限制处理的重排序。

参考连接

1. 大厂面试题：不要搞混 JMM 与 JVM