面试题：Java内存模型与线程安全问题

Java内存模型（JMM）概述

Java内存模型（Java Memory Model，JMM）是一种抽象的概念，它定义了Java程序在多线程环境下如何访问共享变量的规则。JMM的目标是在不同的硬件和操作系统平台上，为Java程序提供一致的内存访问语义，确保多线程程序的正确性。

JMM的组件

主内存（Main Memory） 所有线程共享的内存区域，存储了所有共享变量。线程对共享变量的操作都需要通过主内存进行。
工作内存（Working Memory） 每个线程私有的内存区域，线程会将主内存中的共享变量拷贝到自己的工作内存中进行操作，操作完成后再将结果写回主内存。

JMM的工作原理

线程与主内存交互
- read（读取）：从主内存读取变量值到工作内存。
- load（载入）：将read操作读取到的值放入工作内存的变量副本中。
- use（使用）：将工作内存中的变量值传递给执行引擎。
- assign（赋值）：将执行引擎处理后的结果赋值给工作内存中的变量。
- store（存储）：将工作内存中的变量值传送到主内存。
- write（写入）：将store操作传来的值写入主内存中的共享变量。
happens - before原则 定义了一些规则，保证在某些操作之前发生的事情，对后续操作是可见的。例如：
- 程序顺序规则：一个线程内，按照代码顺序，前面的操作happens - before于后续的操作。
- 监视器锁规则：对一个锁的解锁，happens - before于随后对这个锁的加锁。
- volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens - before于任意后续对这个volatile域的读。

多线程环境下基于JMM的线程安全问题

可见性问题
- 问题描述：一个线程修改了共享变量的值，其他线程可能无法及时看到修改后的结果。因为线程修改的值先存于自己的工作内存，未及时写回主内存，其他线程从主内存读取的仍是旧值。
- 解决方法：使用volatile关键字修饰共享变量，保证变量修改对其他线程的可见性；或者使用锁机制，在加锁和解锁过程中保证共享变量的正确同步。
原子性问题
- 问题描述：对于一些复合操作（如i++，实际包含读取、加1、写入三个操作），在多线程环境下可能出现操作不完整，导致结果错误。因为多个线程可能同时读取旧值，各自加1后写回，造成数据丢失。
- 解决方法：使用锁机制保证操作的原子性；或者使用java.util.concurrent.atomic包下的原子类，如AtomicInteger。
有序性问题
- 问题描述：为了提高性能，编译器和处理器可能会对指令进行重排序。在单线程环境下重排序不会影响最终结果，但在多线程环境下可能导致程序逻辑错误。
- 解决方法：volatile关键字禁止指令重排序；使用锁机制，保证同一时刻只有一个线程执行同步代码块，避免重排序带来的问题。

解决问题的具体代码示例

使用锁机制解决原子性和可见性问题

public class SynchronizedExample {
    private int count = 0;

    public synchronized void increment() {
        count++;
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

使用AtomicInteger解决原子性问题

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class AtomicExample {
    private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public void increment() {
        count.incrementAndGet();
    }

    public int getCount() {
        return count.get();
    }
}

使用volatile解决可见性问题

public class VolatileExample {
    private volatile boolean flag = false;

    public void setFlag() {
        flag = true;
    }

    public boolean isFlagSet() {
        return flag;
    }
}

面试题：Java内存模型与线程安全问题

知识考点

面试题答案

Java内存模型（JMM）概述

JMM的组件

JMM的工作原理

多线程环境下基于JMM的线程安全问题

解决问题的具体代码示例