理解Java内存模型与多线程并发

# 1. 简介 ## 1.1 什么是Java内存模型 Java内存模型（Java Memory Model, JMM）是一种抽象概念，描述了Java程序中各个变量的存储方式、访问规则和内存间的交互关系。它定义了多个线程之间如何通过内存进行通信，并规定了共享变量在多线程环境下的可见性、原子性和有序性。 ## 1.2 为什么需要多线程并发 随着计算机硬件的发展，多核处理器已经成为主流，而单线程的程序无法充分利用多核处理器的优势。为了充分发挥硬件的性能，需要编写能够并发执行的多线程程序。多线程并发能够提高程序的吞吐量和响应速度，改善用户体验，并且有助于解决一些复杂的计算和业务问题。 在接下来的章节中，我们将深入探讨Java内存模型的基础知识和多线程并发的相关内容，帮助读者建立对这两个重要概念的全面理解。 # 2. Java内存模型基础知识 Java内存模型（Java Memory Model，简称JMM）是Java虚拟机（JVM）规范中对于多线程并发编程的内存管理规范。了解Java内存模型对于编写线程安全的程序以及正确地理解并发场景中的内存交互操作非常重要。 ### 2.1 主内存与工作内存 Java内存模型主要涉及两个概念：主内存（Main Memory）和工作内存（Working Memory）。 主内存是线程间共享的内存区域，包含了所有的共享变量。在主内存中，所有的变量都是可见的。 工作内存是每个线程独自拥有的内存区域，其中保存了每个线程读写共享变量的副本。线程对共享变量的操作均在工作内存中进行，而不会直接对主内存进行操作。 ### 2.2 内存间的交互操作 Java内存模型规定了一些特定的操作，用于将变量从主内存复制到工作内存，或者将变量从工作内存同步回主内存。这些操作包括： - `read`：从主内存中把变量的值读取到工作内存中。 - `load`：将`read`操作得到的变量值放入工作内存的变量副本中。 - `use`：将工作内存中的变量副本传递给执行引擎，用于执行实际的操作。 - `assign`：将执行引擎操作的结果存入工作内存的变量副本中。 - `store`：将工作内存中的变量副本的值传递给主内存中的共享变量。 - `write`：把`store`操作得到的值写入主内存的共享变量中。 ### 2.3 原子性、可见性和有序性 Java内存模型的三个核心特性是原子性、可见性和有序性。 原子性指的是一个操作是不可中断的整体，在多线程环境下，要么执行完毕，要么没有执行。 可见性指的是一个线程对共享变量的修改能够及时地被其他线程所感知。 有序性指的是程序执行的顺序按照代码的先后顺序来执行。 在多线程并发的环境中，我们要特别注意这三个特性的影响，以保证程序的正确性和性能。在后续章节中，我们将讨论Java内存模型与多线程的关系以及各种问题的解决方案。 # 3. 多线程并发基础 在本章中，我们将介绍多线程并发的基础知识。多线程并发是指在同一时间内，多个线程可以同时执行，从而提高程序的运行效率。 ##### 3.1 线程的创建与启动 在Java中，创建线程有两种方式：继承Thread类和实现Runnable接口。 **方式一：继承Thread类** ```java // 创建一个继承Thread类的子类 public class MyThread extends Thread { // 重写run方法，定义线程执行的操作 @Override public void run() { // 线程执行的代码逻辑 System.out.println("线程执行中..."); } } // 在主线程中创建并启动子线程 public class MainThread { public static void main(String[] args) { // 创建线程对象 MyThread myThread = new MyThread(); // 启动线程 myThread.start(); } } ``` **方式二：实现Runnable接口** ```java // 创建一个实现Runnable接口的类 public class MyRunnable implements Runnable { // 重写run方法，定义线程执行的操作 @Override public void run() { // 线程执行的代码逻辑 System.out.println("线程执行中..."); } } // 在主线程中创建并启动子线程 public class MainThread { public static void main(String[] args) { // 创建线程对象 Thread myThread = new Thread(new MyRunnable()); // 启动线程 myThread.start(); } } ``` ##### 3.2 线程间的通信与同步 当多个线程同时访问共享资源时，可能会引发线程间数据不一致的问题，因此需要使用线程间的通信与同步机制来保证数据的一致性。 **方式一：共享变量** ```java public class SharedResource { // 共享变量 private int count = 0; public void increment() { count++; } public int getCount() { return count; } } public class MyThread implements Runnable { private SharedResource sharedResource; public MyThread(SharedResource sharedResource) { this.sharedResource = sharedResource; } @Override public void run() { sharedResource.increment(); } } public class MainThread { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { SharedResource sharedResource = new SharedResource(); // 创建多个线程并启动 Thread thread1 = new Thread(new MyThread(sharedResource)); Thread thread2 = new Thread(new MyThread(sharedResource)); thread1.start(); thread2.start(); // 等待两个线程执行完毕 thread1.join ```