深入理解 Java 內存模型（JMM）：從原理到實踐

作者：一安 2025-09-08 07:14:25

局部變量和方法參數存儲在工作內存中，且不會被共享，因此不存在并發安全問題；而實例變量和靜態變量存儲在主內存中，多線程訪問時需遵循 JMM 的交互規則，否則會出現數據不一致。

前言

圖片

在Java并發編程領域，Java內存模型（Java Memory Model，JMM）是保障多線程程序正確性的核心基礎。它定義了線程和主內存之間的抽象關系，規范了所有變量的訪問規則，解決了多線程環境下因CPU緩存、指令重排序等導致的內存可見性、原子性和有序性問題。

什么是 JMM？

JMM并非真實的物理內存結構，而是Java虛擬機（JVM）為了屏蔽不同硬件和操作系統的內存訪問差異，給程序員提供的一套抽象內存模型。它規定：

所有變量（包括實例變量、靜態變量，不包括局部變量和方法參數）都存儲在主內存（Main Memory）中；
每個線程都有自己的工作內存（Working Memory），線程對變量的所有操作（讀取、賦值等）都必須在工作內存中進行，無法直接操作主內存；
線程工作內存中的變量是主內存變量的副本，線程操作完成后需將結果同步回主內存，其他線程才能感知到變量的更新。

這種主內存 - 工作內存的抽象模型，本質上是對CPU緩存、寄存器等硬件資源的邏輯映射，目的是在程序正確性和硬件性能優化之間找到平衡。

JMM 的設計目標

JMM的核心目標有兩個，分別面向開發者和虛擬機實現者：

對開發者：提供一致的內存可見性、原子性和有序性保證，讓開發者無需關注底層硬件細節，就能編寫出正確的并發程序；
對虛擬機實現者：允許虛擬機根據不同硬件平臺優化指令執行（如指令重排序、緩存優化），只要不違反JMM的規范，即可最大限度利用硬件性能。

內存結構劃分

內存類型	存儲內容	訪問權限
主內存	所有線程共享的變量（實例變量、靜態變量、類信息等）	線程需通過工作內存間接訪問，不能直接操作
工作內存	線程私有的變量副本（主內存變量的拷貝）、局部變量、方法參數	線程僅能訪問自己的工作內存，對變量的操作均在此執行

需要注意：局部變量和方法參數存儲在工作內存中，且不會被共享，因此不存在并發安全問題；而實例變量和靜態變量存儲在主內存中，多線程訪問時需遵循 JMM 的交互規則，否則會出現數據不一致。

交互規則

JMM定義了8種原子操作（Atomic Operation），用于規范線程工作內存與主內存之間的變量傳遞，確保操作的完整性和正確性。這 8 種操作必須是原子的、不可拆分的：

lock（鎖定）：作用于主內存變量，將變量標記為線程獨占狀態；
unlock（解鎖）：作用于主內存變量，釋放被鎖定的變量，允許其他線程鎖定；
read（讀取）：作用于主內存變量，將變量值從主內存傳輸到線程工作內存，為后續load操作準備；
load（載入）：作用于工作內存變量，將read操作獲取的主內存值存入工作內存的變量副本中；
use（使用）：作用于工作內存變量，將工作內存中的變量值傳遞給Java虛擬機執行引擎（如執行方法時使用變量）；
assign（賦值）：作用于工作內存變量，將執行引擎的計算結果賦值給工作內存中的變量；
store（存儲）：作用于工作內存變量，將工作內存中的變量值傳輸到主內存，為后續write操作準備；
write（寫入）：作用于主內存變量，將store操作獲取的工作內存值存入主內存的變量中。

為保證并發安全，JMM對上述操作附加了3條關鍵約束：

禁止read和load、store和write操作單獨出現（即讀取后必須載入，存儲后必須寫入，確保變量傳遞的完整性）；
禁止線程丟棄assign操作（即工作內存中變量被賦值后，必須同步回主內存，不能私吞修改）；
禁止線程無原因地（未執行assign）將工作內存變量同步回主內存（避免無效更新覆蓋主內存值）。

解決的三大核心問題

在多線程環境下，CPU 緩存、指令重排序會導致內存可見性、原子性和有序性問題，JMM通過規范和機制針對性解決了這三大問題。

內存可見性（Visibility）

當一個線程修改了主內存中的變量值，其他線程不能立即感知到該修改，導致讀取到過期數據。例如：

// 線程A執行
boolean flag = false;
public void setFlag() {
    flag = true; // 修改主內存變量，但未及時同步
}

// 線程B執行
public void loop() {
    while (!flag) { // 工作內存中flag始終為false，陷入死循環
    }
}

線程A修改flag后，若未及時通過store-write同步回主內存，線程B的工作內存中flag副本仍為false，會一直循環。

JMM 通過volatile關鍵字和鎖（synchronized、Lock）保證可見性：

volatile：當變量被 volatile 修飾時，線程修改該變量后會立即執行store-write同步回主內存，同時使其他線程工作內存中該變量的副本失效，其他線程讀取時需重新執行read-load從主內存獲取最新值；
鎖機制：線程獲取鎖（lock）時，會清空工作內存中共享變量的副本，讀取時從主內存重新加載；釋放鎖（unlock）時，會將工作內存中修改后的變量同步回主內存。

原子性（Atomicity）

原子性指一個操作或多個操作要么全部執行，且執行過程中不被中斷；要么全部不執行。Java中部分操作天然具有原子性（如i = 1），但復合操作（如i++）不具備原子性，會被拆分為讀取 - 賦值 - 寫入三步，導致并發安全問題：

int i = 0;
// 1000個線程同時執行i++
for (int j = 0; j < 1000; j++) {
    new Thread(() -> i++).start();
}
// 最終i可能小于1000，因為多個線程同時讀取i=0，執行i++后同步回主內存，覆蓋彼此結果

JMM 通過以下機制保證原子性：

天然原子操作：JMM規定read、load、use、assign、store、write等基本操作具有原子性；
鎖機制：synchronized和Lock通過獨占鎖保證同一時間只有一個線程執行臨界區代碼，從而確保復合操作的原子性；
原子類：Java并發包（java.util.concurrent.atomic）提供的AtomicInteger、AtomicLong等類，通過CAS（Compare and Swap）操作實現原子性，底層依賴CPU的原子指令（如cmpxchg）。

有序性（Ordering）

有序性指程序執行的順序按照代碼的先后順序執行。但為了優化性能，CPU和JVM會對指令進行重排序（Reordering），重排序分為三種：

編譯器重排序：編譯器在不改變單線程語義的前提下，調整代碼執行順序；
CPU指令重排序：CPU為提高執行效率，調整指令的執行順序；
內存重排序：由于CPU緩存的存在，變量的讀寫操作看起來被重排序（如寫后讀可能出現先讀后寫的現象）。

重排序在單線程環境下不會導致問題，但在多線程環境下會破壞有序性。例如經典的雙重檢查鎖單例問題：

public class Singleton {
    private static Singleton instance; // 未加volatile
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { // 1. 讀取instance
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton(); // 2. 新建對象，可能被重排序
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

instance = new Singleton()會被拆分為三步：

分配內存；
初始化對象；
將instance指向內存地址。

編譯器可能重排序為1→3→2，此時線程A執行到3后，instance已非null，線程B進入時會直接返回未初始化的instance，導致空指針異常。

JMM 通過volatile 關鍵字、鎖機制和happens-before規則保證有序性：

volatile：禁止編譯器和CPU對volatile變量的讀寫操作進行重排序（通過內存屏障實現）；
鎖機制：同一時間只有一個線程執行臨界區代碼，相當于串行化執行，天然保證有序性；
happens-before規則：JMM定義的一套先行發生規則，無需任何同步手段，即可保證操作的有序性。例如：

程序次序規則：單線程中，代碼按書寫順序執行（前序操作happens-before后序操作）；

監視器鎖規則：解鎖操作happens-before后續的加鎖操作；

volatile變量規則：對volatile變量的寫操作happens-before后續的讀操作；

線程啟動規則：Thread.start()操作happens-before線程內的任意操作；

線程終止規則：線程內的任意操作happens-before線程的終止檢測（如Thread.join()）。

JMM 的關鍵實現：volatile 關鍵字與鎖機制

volatile 關鍵字的底層原理

volatile是JMM中最常用的輕量級同步手段，主要解決可見性和有序性問題（不保證原子性），其底層通過內存屏障實現。

內存屏障是一組CPU指令，用于禁止指令重排序，并保證內存可見性。JMM對volatile變量的讀寫操作添加了以下內存屏障：

寫操作后：添加StoreStore屏障（禁止前面的普通寫操作與當前volatile寫操作重排序）和StoreLoad屏障（禁止當前volatile寫操作與后面的volatile讀 / 寫操作重排序）；
讀操作前：添加LoadLoad屏障（禁止前面的volatile讀操作與當前volatile讀操作重排序）和LoadStore屏障”（禁止當前volatile讀操作與后面的普通寫操作重排序）。

這些屏障確保：volatile變量的寫操作會立即同步到主內存，讀操作會立即從主內存加載最新值，且讀寫操作不會與其他操作重排序。

鎖機制與 JMM 的關系

synchronized和java.util.concurrent.locks.Lock是Java中保證原子性、可見性和有序性的 “全能” 同步手段，其與 JMM 的交互遵循以下規則：

原子性：鎖的獨占性確保同一時間只有一個線程執行臨界區代碼，復合操作被拆分為加鎖→執行→解鎖三步，整體具有原子性；
可見性：線程解鎖時，JMM會將該線程工作內存中所有修改后的變量同步回主內存；線程加鎖時，JMM會清空該線程工作內存中所有共享變量的副本，強制從主內存重新加載；
有序性：鎖的串行化執行特性，確保臨界區代碼按順序執行，且鎖的解鎖happens-before加鎖規則，保證不同線程對臨界區變量的操作具有有序性。

責任編輯：武曉燕來源：一安未來