Java 内存模型（JMM）与 volatile、synchronized 可见性原理

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《Java 内存模型（JMM）与 volatile、synchronized 可见性原理》

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一、前言：为什么需要 Java 内存模型（JMM）

在多线程环境下，每个线程都有自己的工作内存（CPU缓存），
而共享变量存放在主内存中。

问题是：

一个线程修改变量后，其他线程可能看不到最新值。

原因：

• CPU 缓存导致“可见性问题”；
• 编译器和 CPU 指令优化导致“重排序问题”；
• 缺乏同步导致“原子性问题”。

于是，JVM 定义了 Java 内存模型（Java Memory Model, JMM），
用来规定多线程访问共享变量时的行为规范，
即：什么时候写入主内存、什么时候刷新到工作内存、哪些操作是有序的。

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二、JMM 内存结构与线程交互过程

（1）整体结构示意

               ┌──────────────────────────────┐│          主内存（Main Memory）││    共享变量、对象实例、静态区 │└───────────┬──────────────────┘│┌────────────────┴────────────────┐│                                 │
┌──────────────────────┐        ┌──────────────────────┐
│   线程 A 的工作内存   │        │   线程 B 的工作内存   │
│   寄存器 + CPU 缓存   │        │   寄存器 + CPU 缓存   │
└──────────────────────┘        └──────────────────────┘

每个线程：

• 从主内存读取变量副本到工作内存；
• 修改后再写回主内存；
• 线程间 不直接共享工作内存。

（2）JMM 规定的 8 种原子操作

JMM 定义了主内存与工作内存的交互规则：

操作	含义
lock	锁定变量，标识为线程独占
unlock	解锁变量，使其他线程可见
read	从主内存读取变量值
load	将值载入工作内存
use	执行代码时使用变量
assign	给变量赋值
store	将变量值写入主内存副本
write	将 store 的值写回主内存

这些操作保证多线程访问的可见性与顺序性。

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三、happens-before 原则（JMM 的核心规则）

JMM 并不强制“物理执行顺序”，
而是通过 happens-before 原则 定义“逻辑可见性关系”。

happens-before 规则	含义
程序顺序规则	单线程内，代码按顺序执行
监视器锁规则	对同一锁的 unlock 操作先行于后续的 lock
volatile 变量规则	对 volatile 的写先行于后续对它的读
线程启动规则	Thread.start() 先行于线程体内的操作
线程终止规则	线程结束（join）先行于 join 返回
传递性规则	A → B, B → C ⇒ A → C

举例：

int a = 0;
boolean flag = false;Thread t1 = new Thread(() -> {a = 1;flag = true;
});Thread t2 = new Thread(() -> {if (flag) System.out.println(a);
});

若 flag 为 volatile，则：

t1 对 a 的写入 happens-before t2 对 flag 的读取。
保证 t2 看到 a=1，而不是旧值。

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四、volatile 关键字详解

（1）volatile 的作用

• 保证可见性：修改立即刷新到主内存；
• 禁止指令重排：在读写操作前后插入内存屏障；
• 不保证原子性：非复合操作仍可能被打断。

（2）底层实现（内存屏障）

JIT 编译后，volatile 读写会插入内存屏障指令（Memory Barrier）：

屏障类型	位置	作用
StoreStoreBarrier	写操作前	保证写入主内存前先完成前序写入
StoreLoadBarrier	写操作后	禁止写后读乱序
LoadLoadBarrier	读操作前	保证读取最新值
LoadStoreBarrier	读操作后	防止读后写乱序

JVM 通过这些屏障确保“先写再读”的可见性与顺序性。

（3）volatile 的局限

volatile int count = 0;
count++; // 非原子操作

count++ 实际包含三步：

1. 读取 count；
2. 自增；
3. 写回内存。
   → 线程切换可能导致值覆盖，仍需使用 AtomicInteger 或 synchronized。

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五、synchronized 与内存可见性

（1）锁的语义

synchronized 同步块在 JVM 层面基于 Monitor 实现。
进入同步块相当于：

lock + read/load + use + assign + store/write + unlock

（2）内存可见性

进入 synchronized：

• 线程会从主内存刷新共享变量；
• 执行结束后将修改写回主内存；
• 确保锁内代码对后续线程可见。

（3）与 volatile 的区别

特性	volatile	synchronized
可见性	✅ 保证	✅ 保证
原子性	❌ 不保证	✅ 保证
有序性	✅ 保证	✅ 保证
实现方式	内存屏障	Monitor 锁
性能	轻量	重量（可优化为偏向/轻量级锁）

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六、面试高频问题与答题模板

问题	答案要点
Q1：JMM 是什么？	Java Memory Model，定义多线程读写共享变量的可见性和顺序性规范。
Q2：JMM 为什么存在？	为屏蔽 CPU 缓存与指令重排带来的并发不一致问题。
Q3：volatile 解决了什么问题？	保证可见性与有序性，不保证原子性。
Q4：synchronized 如何保证可见性？	通过进入/退出 monitor 实现内存同步（刷新主内存）。
Q5：volatile 底层实现？	通过内存屏障指令禁止重排序（StoreLoadBarrier）。
Q6：happens-before 是什么？	定义逻辑上的可见性顺序，不等同于物理执行顺序。
Q7：volatile 适用于哪些场景？	状态标志、单例双重校验锁、轻量读写控制。

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结语

JMM 是理解所有并发机制的理论根基。
从 volatile 到 synchronized，再到 AQS、CAS、LockSupport，
它们的本质都是围绕三件事展开：

可见性、有序性、原子性。

掌握 JMM，你就能从“语法层并发”跃升到“CPU 层理解”，
真正能解释为什么一行 volatile 能让系统稳定运行。

下一篇，我将写——
《Redis 高并发八股文：缓存穿透、击穿、雪崩与解决方案》，
进入高并发实战篇，讲清 Redis 三大核心问题的区别、原理与企业级防护方案。