Java 内存模型（JMM）全面详解
Java 内存模型（Java Memory Model，简称 JMM）是 Java 语言规范中非常核心的一部分，它定义了多线程环境下，Java 程序如何与内存交互的规则。
JMM 并不是描述“JVM 物理内存如何划分”（那是 JVM 内存结构），而是规定了线程与主内存之间抽象的交互规则，以及什么情况下一个线程的写操作对另一个线程可见。
一、为什么需要 Java 内存模型？
现代 CPU 为了性能，引入了多级缓存（L1/L2/L3）、指令重排序、写缓冲区（Store Buffer）、失效队列（Invalidate Queue）等优化。
这些优化在单线程下没问题，但在多线程下会导致可见性、有序性问题。
例子（经典的“双重检查锁定”失败案例）：
public class Singleton {
private static Singleton instance; // 没有 volatile
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) { // 第一次检查（无锁）
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) { // 第二次检查
instance = new Singleton(); // 问题在这里
}
}
}
return instance;
}
}问题：instance = new Singleton() 并不是原子操作，它可能被重排序为：
- 分配内存空间
- 调用构造方法初始化对象
- 把引用指向分配的内存地址（instance 指向了半初始化对象）
线程 A 可能在第 3 步完成时，线程 B 看到 instance ≠ null，但对象还没初始化完成 → 使用到半初始化对象 → 崩溃或逻辑错误。
JMM 存在的意义：定义清晰的“happens-before”规则，让程序员知道什么时候能保证可见性、有序性。
二、JMM 的两大核心：happens-before 与 as-if-serial
1. happens-before 关系（最重要！）
如果操作 A happens-before 操作 B，那么 A 的结果对 B 可见，且 A 的执行顺序在 B 之前。
JMM 保证的 happens-before 规则（记住这 8 条）：
| 序号 | 规则名称 | 描述 |
|---|---|---|
| 1 | 程序顺序规则 | 同一个线程内，前面的操作 happens-before 后面的操作（as-if-serial 语义） |
| 2 | 监视器锁规则 | 解锁一个 monitor → 后续对同一个 monitor 加锁 happens-before 它之前的所有操作 |
| 3 | volatile 变量规则 | 对 volatile 变量的写 → 后续对同一个 volatile 变量的读 happens-before 它之前的写 |
| 4 | 线程启动规则 | Thread.start() → 线程内任意操作 happens-before start() 之后 |
| 5 | 线程终止规则 | 线程内所有操作 happens-before 其他线程检测到该线程终止（isAlive()、join() 返回） |
| 6 | 线程中断规则 | interrupt() → 被中断线程收到中断信号 happens-before 中断检测 |
| 7 | 对象终结规则 | 对象初始化完成（构造方法执行完毕）→ finalize() 方法 happens-before 它 |
| 8 | 传递性 | 如果 A hb B 且 B hb C，则 A hb C |
最常用、最核心的三条：
- 程序顺序规则
- 监视器锁规则（synchronized）
- volatile 变量规则
2. as-if-serial 语义
单线程内，只要不改变程序的执行结果，编译器和处理器可以随意重排序。
int x = 1;
int y = 2;
x = x + 3;
y = y * 4;以上四行可以任意重排，只要最终 x=4, y=8 即可。
但多线程下，重排序会破坏可见性，所以需要 JMM 约束。
三、JMM 如何保证可见性、有序性、原子性
| 特性 | 保证方式 | 典型手段 | 备注 |
|---|---|---|---|
| 原子性 | JMM 只保证基本类型的赋值是原子的 | synchronized、Lock、AtomicXXX | long/double 的读写在 32 位 JVM 可能非原子 |
| 可见性 | happens-before + 内存屏障 | volatile、synchronized、final、Lock | 写完 volatile 立即刷新到主存 |
| 有序性 | happens-before + 禁止重排序 | volatile、synchronized、Lock | volatile 写后读建立 happens-before |
四、volatile 关键字（JMM 的核心工具）
volatile 是轻量级同步机制，它保证：
- 可见性：写立即刷新到主存，读从主存取最新值
- 禁止指令重排序：前后建立内存屏障，防止重排序破坏语义
volatile 的内存语义（非常重要）：
- 写 volatile 变量：相当于把当前线程本地内存的所有共享变量刷新到主存（StoreStore + StoreLoad 屏障）
- 读 volatile 变量：相当于把当前线程本地内存失效，后续读都从主存取（LoadLoad + LoadStore 屏障）
经典用法：
- 状态标志（开关）
- 单次发布（一次写多次读）
- 配合双重检查锁定（JDK 5+）
private static volatile Singleton instance;
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton(); // 安全了
}
}
}
return instance;
}五、synchronized 与 volatile 对比
| 特性 | synchronized | volatile |
|---|---|---|
| 原子性 | 保证（进入/退出同步块） | 不保证 |
| 可见性 | 保证（解锁前刷新，进锁后失效） | 保证 |
| 有序性 | 保证（建立 happens-before） | 保证（禁止重排序） |
| 使用场景 | 需要互斥、复合操作 | 状态标志、单次发布 |
| 性能开销 | 相对较高（锁竞争时） | 极低（无锁） |
| 阻塞 | 会阻塞 | 不阻塞 |
六、final 关键字在 JMM 中的特殊语义
final 字段在构造方法执行完毕后，对其他线程是可见且不可变的（前提：this 没有逸出）。
public class FinalExample {
private final int x;
private int y;
public FinalExample() {
x = 3; // final 字段初始化
y = 4;
}
// 其他线程看到 x 一定是 3，y 可能不是 4（除非有其他同步）
}七、常见面试题与答案总结
- volatile 能代替 synchronized 吗？
不能。只有在不需要互斥、只需要可见性+有序性的场景才合适。 - 为什么 long/double 的写不是原子性的？
32 位 JVM 可能把 64 位值拆成两次 32 位写。 - DCL（双重检查锁定）为什么需要 volatile？
防止 new 操作重排序导致半初始化对象被其他线程看到。 - happens-before 和 as-if-serial 的区别？
as-if-serial 是单线程优化，happens-before 是多线程可见性保证。 - volatile 如何实现可见性？
依靠内存屏障（StoreStore、LoadLoad 等）+ 缓存一致性协议（MESI）。
八、总结一句话
Java 内存模型（JMM）本质上是通过 happens-before 规则 + volatile/synchronized/final 等关键字 + 内存屏障，解决了多线程环境下“可见性、原子性、有序性”三大并发编程难题。
掌握 JMM 是真正理解 Java 并发的基础。
想继续深入哪个部分？
- volatile 底层内存屏障实现细节
- JMM 与 happens-before 的完整推导
- 各种并发工具（Atomic、Lock、CAS）的 JMM 语义
- 实际案例分析（单例、状态标志、发布-订阅等）
随时告诉我～
