Java 内存模型 JMM：线程安全、原子性、可见性与有序性

并发编程最难的地方，不是创建线程，而是多个线程同时访问共享数据时，程序还能不能得到正确结果。

Java 内存模型，也就是 JMM，解决的是多线程之间共享变量如何读写、什么时候可见、什么顺序可被保证的问题。

线程安全是什么

如果多个线程同时执行一段代码，无论线程如何交替执行，程序都能得到正确结果，就可以说这段代码是线程安全的。

典型反例是卖票：

if (ticket > 0) {
    ticket--;
}

问题在于，ticket-- 不是一个原子操作。它至少包含读取、计算、写回三个步骤。多个线程交错执行时，就可能出现重复卖票或票数变成负数。

并发的三个核心特性

并发程序要正确，通常要关注三个特性。

特性	含义	常见问题
原子性	一个或多个操作要么全部执行，要么都不执行，中间不能被打断	i++ 丢失更新
可见性	一个线程修改共享变量后，其他线程能及时看到	线程一直读到旧值
有序性	程序执行顺序符合预期	指令重排序导致状态异常

很多并发 bug 都是这三类问题的组合。

原子性问题

count++ 看起来是一行代码，但底层不是一个不可分割的动作。

它大致包含：

1. 读取 count。
2. 加 1。
3. 写回 count。

如果两个线程同时读取到 5，各自加 1 后都写回 6，最终结果就是只加了一次。

解决原子性问题的常见方式：

• synchronized。
• ReentrantLock。
• AtomicInteger 等原子类。

可见性问题

可见性问题来自 CPU 缓存和线程本地工作内存。

一个线程修改了共享变量，并不一定立刻写回主内存；另一个线程也不一定立刻从主内存读取最新值。于是线程 A 已经把变量改了，线程 B 却还在使用旧值。

这类问题常见于控制线程退出的标记变量：

boolean running = true;

while (running) {
    // do something
}

如果另一个线程把 running 改成 false，当前线程不一定立刻看到变化，循环可能无法退出。

有序性问题

为了提升性能，编译器和处理器可能会进行指令重排序。

重排序必须遵守一个原则：在单线程内不能改变程序最终结果。这就是 as-if-serial 语义。

但在多线程里，某个线程内部看似安全的重排序，可能被另一个线程观察到，从而产生问题。

例如一个对象还没初始化完成，引用就先被另一个线程看到了，这就可能读到半初始化状态。

Java 内存模型解决什么

JMM 抽象了主内存和线程工作内存之间的关系。

主内存：保存共享变量
工作内存：每个线程自己的变量副本

线程对共享变量的操作，通常不是直接操作主内存，而是先读到自己的工作内存，修改后再刷新回主内存。

JMM 要定义的就是：

• 线程什么时候必须把修改刷新到主内存。
• 线程什么时候必须从主内存重新读取。
• 哪些操作之间必须保持顺序。
• 哪些读写对其他线程可见。

happens-before

happens-before 是 JMM 里非常重要的规则。它描述的是两个操作之间的可见性和顺序关系。

如果操作 A happens-before 操作 B，那么 A 的执行结果对 B 可见，并且 A 的执行顺序排在 B 之前。

常见规则包括：

规则	说明
程序次序规则	同一线程内，前面的操作 happens-before 后面的操作
监视器锁规则	解锁 happens-before 后续对同一把锁的加锁
volatile 变量规则	对 volatile 变量的写 happens-before 后续对它的读
线程启动规则	Thread.start() happens-before 新线程中的动作
线程终止规则	线程中的所有操作 happens-before 其他线程检测到它结束
传递性	A happens-before B，B happens-before C，则 A happens-before C

这些规则是理解 synchronized 和 volatile 的基础。

synchronized 如何保证可见性

JMM 对 synchronized 有两条重要规定：

• 线程解锁前，必须把本地内存中共享变量的最新值刷新到主内存。
• 线程加锁时，会清空本地内存中共享变量的值，使用时重新从主内存读取。

所以同一把锁保护下的共享变量，不仅能保证互斥访问，也能保证可见性。

volatile 如何保证可见性

volatile 变量写入后，会把修改刷新到主内存；读取 volatile 变量时，会从主内存读取最新值。

同时，volatile 还通过内存屏障禁止特定重排序。

不过 volatile 不能保证复合操作的原子性。比如：

volatile int count = 0;
count++;

这仍然可能出现丢失更新。

线程安全的设计思路

解决线程安全问题，不要只想到加锁。可以按优先级思考：

1. 能不能不共享数据。
2. 能不能让共享对象不可变。
3. 能不能缩小共享范围。
4. 是否可以使用线程安全容器。
5. 是否需要锁或原子类。

锁是有效工具，但不是唯一工具。共享越少，并发程序越简单。

小结

JMM 是 Java 并发的底层规则。它解释了为什么多线程会出现原子性、可见性和有序性问题，也解释了 synchronized、volatile、原子类和锁为什么能解决一部分问题。

学习并发时，先理解 JMM，再看具体工具，很多概念就不会散。