核心概念

Java内存模型（Java Memory Model，JMM） 是一种抽象的规范，定义了多线程环境下共享变量的访问规则，以及如何在并发场景中保证可见性、有序性和原子性。

JMM并不是真实存在的物理模型，而是一套规则，用于屏蔽不同硬件和操作系统内存访问差异，为开发者提供统一的并发编程语义。

核心原理

1. 内存结构抽象

JMM将内存分为两部分：

  • 主内存（Main Memory）：所有线程共享的内存区域，存储共享变量的主副本
  • 工作内存（Working Memory）：每个线程私有的内存区域，存储该线程使用的共享变量的副本

线程对共享变量的操作流程：

  1. 线程从主内存读取变量到工作内存
  2. 在工作内存中进行修改
  3. 将修改后的值写回主内存

2. 三大特性

可见性

一个线程修改了共享变量，其他线程能立即看到修改后的值。

// 使用 volatile 保证可见性
public class VisibilityExample {
    private volatile boolean flag = false;
    
    public void writer() {
        flag = true; // 修改立即对其他线程可见
    }
    
    public void reader() {
        while (!flag) {
            // 能及时看到 flag 的变化
        }
        System.out.println("Flag is true");
    }
}

有序性

程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行，但JVM可能会进行指令重排序优化。JMM通过happens-before规则保证必要的有序性。

// 可能发生指令重排序
int a = 1;  // 操作1
int b = 2;  // 操作2
// 在某些情况下，操作2可能先于操作1执行

原子性

一个操作或多个操作要么全部执行完成且不被中断，要么全部不执行。

// 非原子操作
int count = 0;
count++; // 分为三步：读取、加1、写回

// 使用 synchronized 保证原子性
public synchronized void increment() {
    count++;
}

3. 八大原子操作

JMM定义了8种原子操作，用于描述主内存与工作内存之间的交互：

  • lock（锁定）：作用于主内存变量，标识为线程独占
  • unlock（解锁）：作用于主内存变量，释放独占状态
  • read（读取）：从主内存读取变量到工作内存
  • load（载入）：将read的值放入工作内存副本
  • use（使用）：将工作内存变量传递给执行引擎
  • assign（赋值）：将执行引擎的值赋给工作内存变量
  • store（存储）：将工作内存变量传送到主内存
  • write（写入）：将store的值放入主内存变量

并发场景考量

1. 缓存一致性问题

在多核CPU环境下，每个核心都有自己的缓存，JMM需要保证多个线程看到的共享变量值是一致的。

2. 指令重排序问题

编译器和处理器为了优化性能，可能会对指令进行重排序。JMM通过内存屏障和happens-before规则来限制重排序，保证程序的正确性。

3. 分布式场景的延伸

虽然JMM主要解决单JVM内的并发问题，但在分布式系统中：

  • 需要使用分布式锁（如Redis、Zookeeper）
  • 需要考虑网络延迟导致的可见性问题
  • 需要引入分布式缓存一致性协议

实践总结

面试要点

  1. JMM是什么：一套规范，定义共享变量访问规则，保证可见性、有序性、原子性
  2. 为什么需要JMM：屏蔽硬件和OS差异，提供统一的并发编程模型
  3. 如何使用：通过volatile、synchronized、Lock等关键字/工具实现JMM规范
  4. 三大特性：可见性、有序性、原子性

关键工具 

// 1. volatile - 保证可见性和有序性
private volatile int status;

// 2. synchronized - 保证三大特性
public synchronized void method() {
    // 原子操作
}

// 3. Lock接口 - 更灵活的锁机制
private final Lock lock = new ReentrantLock();
public void method() {
    lock.lock();
    try {
        // 原子操作
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

// 4. Atomic类 - 利用CAS实现原子操作
private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
count.incrementAndGet();

答题建议

面试时可以从”是什么 → 为什么 → 怎么用“的思路回答：

  1. JMM是Java并发编程的理论基础
  2. 解决了多线程环境下的可见性、有序性、原子性问题
  3. 通过volatile、synchronized等机制实现
  4. 在实际项目中需要根据场景选择合适的并发控制手段