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引言#

Java 内存模型（JMM）定义了线程之间如何通过内存交互，并规定了 volatile、锁、原子类等的语义。掌握 happens-before 关系与指令重排规则，才能写出正确的并发程序。

JMM 基础#

主内存与工作内存#

  • 主内存：堆上的共享变量；
  • 工作内存：每个线程的本地缓存，线程对变量的操作必须先从主内存读取到工作内存，再写回；
  • JMM 约束了这些 read/write 操作的顺序。

Happens-before 规则#

  • 程序顺序规则；
  • 监视器锁规则（unlock happens-before 后续 lock）；
  • volatile 变量法则；
  • 线程启动与终止规则；
  • 传递性。

指令重排与内存屏障#

JVM 对重排的约束#

HotSpot 编译器和硬件可以为性能进行指令重排，但需满足 JMM。内存屏障指令（LoadLoad、LoadStore、StoreStore、StoreLoad）确保顺序。volatile 在底层通过插入 StoreStore + StoreLoad 屏障实现可见性。

双重检查锁定（DCL）的正确写法#

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private volatile Singleton instance;
public Singleton getInstance() {
    if (instance == null) {
        synchronized (this) {
            if (instance == null) {
                instance = new Singleton();
            }
        }
    }
    return instance;
}

若 instance 未声明为 volatile，对象初始化的写入可能被重排，导致其他线程看到部分构造。

并发原子性与可见性#

  • AtomicLong 使用 CAS + volatile 保证原子性；
  • LongAdder 通过分段热点减轻竞争；
  • StampedLock 支持乐观读，需要正确校验 validate；
  • VarHandle 提供更低级的内存语义控制。

调试与验证#

  • JDK 提供 jcstress 框架，可验证并发场景下的可见性与原子性；
  • 使用 -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly 查看屏障；
  • 通过 jdeps 检查依赖，避免旧版 JMM（如 JSR-133 之前）的类库影响。

实践建议#

  • 尽量使用高层并发构件（CompletableFuture、ForkJoinPool）；
  • 避免自旋锁占用过多 CPU，可结合 Backoff 策略；
  • 在线程池中合理设置核心数、拒绝策略，避免任务堆积；
  • 对共享状态使用不可变对象或 copy-on-write 模式；
  • 结合性能测试验证扩展性与一致性。

总结#

JMM 为 Java 并发提供了可预期的语义。理解 happens-before、内存屏障和原子操作，能够指导我们设计线程安全的系统，并避免深层的并发 bug。

参考资料#

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