1、引言
在讨论Java内存模型和线程之前，先简单介绍一下硬件的效率与一致性。
由于计算机的存储设备与处理器的运算能力之间有几个数量级的差距，所以现代计算机系统都不得不加入一层读写速度尽可能接近处理器运算速度的高速缓存（cache）来作为内存与处理器之间的缓冲：将运算需要使用到的数据复制到缓存中，让运算能快速进行，当运算结束后再从缓存同步回内存之中没这样处理器就无需等待缓慢的内存读写了。
基于高速缓存的存储交互很好地解决了处理器与内存的速度矛盾，但是引入了一个新的问题：缓存一致性（Cache Coherence）。在多处理器系统中，每个处理器都有自己的高速缓存，而他们又共享同一主存，如下图所示：多个处理器运算任务都涉及同一块主存，需要一种协议可以保障数据的一致性，这类协议有MSI、MESI、MOSI及Dragon Protocol等。Java虚拟机内存模型中定义的内存访问操作与硬件的缓存访问操作是具有可比性的，后续将介绍Java内存模型。
除此之外，为了使得处理器内部的运算单元能竟可能被充分利用，处理器可能会对输入代码进行乱起执行（Out-Of-Order Execution）优化，处理器会在计算之后将对乱序执行的代码进行结果重组，保证结果准确性。与处理器的乱序执行优化类似，Java虚拟机的即时编译器中也有类似的指令重排序（Instruction Recorder）优化。
2、Java内存模型
Java内存模型的主要目标是定义程序中各个变量的访问规则，即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样底层细节。此处的变量与Java编程时所说的变量不一样，指包括了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，但是不包括局部变量与方法参数，后者是线程私有的，不会被共享。
在java中，所有实例域、静态域和数组元素存储在堆内存中，堆内存在线程之间共享。局部变量，方法定义参数和异常处理器参数不会在线程之间共享，它们不会有内存可见性问题，也不受内存模型的影响。Java内存模型中规定了所有的变量都存储在主内存中，每条线程还有自己的本地内存（可以与前面将的处理器的高速缓存类比，本地内存是JMM的一个抽象概念，并不真实存在。），线程的本地内存中保存了该线程使用到的变量到主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作（读取、赋值）都必须在本地内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。不同线程之间无法直接访问对方本地内存中的变量，线程间变量值的传递均需要在主内存来完成，线程、主内存和本地内存的交互关系如下图所示，和上图很类似。
(这里的主内存、本地内存与Java内存区域的Java堆、栈、方法区不是同一层次内存划分)
从上图来看，线程A与线程B之间如要通信的话，必须要经历下面2个步骤：
首先，线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。
然后，线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。
3、内存间交互操作
关于主内存与工作内存(本地内存)之间的具体交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步到主内存之间的实现细节，Java内存模型定义了以下八种操作来完成：
lock（锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为一条线程独占状态。
unlock（解锁）：作用于主内存变量，把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定。
read（读取）：作用于主内存变量，把一个变量值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用
load（载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中。
use（使用）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。
store（存储）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write的操作。
write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中一个变量的值传送到主内存的变量中。
如果要把一个变量从主内存中复制到工作内存，就需要按顺寻地执行read和load操作，如果把变量从工作内存中同步回主内存中，就要按顺序地执行store和write操作。Java内存模型只要求上述操作必须按顺序执行，而没有保证必须是连续执行。也就是read和load之间，store和write之间是可以插入其他指令的，如对主内存中的变量a、b进行访问时，可能的顺序是read a，read b，load b， load a。Java内存模型还规定了在执行上述八种基本操作时，必须满足如下规则：
不允许read和load、store和write操作之一单独出现
不允许一个线程丢弃它的最近assign的操作，即变量在工作内存中改变了之后必须同步到主内存中。
不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从工作内存同步回主内存中。
一个新的变量只能在主内存中诞生，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）的变量。即就是对一个变量实施use和store操作之前，不许先执行过了assign和load操作。
一个变量在同一时刻只允许一条线成对其进行lock操作，lock和unlock必须成对出现
如果对一个变量执行lock操作，将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前需要重新执行load或assign操作初始化变量的值
如果一个变量事先没有被lock操作锁定，则不允许对它执行unlock操作；也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。
对一个变量执行unlock操作之前，必须先把次变量同步到主内存中（执行store和write操作）。
4、Java存储模型潜在的问题
一谈到缓存， 我们立马想到会有缓存不一致性问题，就是说当有缓存与数据库不一致的时候，就需要有相应的机制去同步数据。同理，Java存储模型也有这个问题，当一个线程在自己工作内存里初始化一个变量，当还没来得及同步到主存里时，如果有其他线程来访问它，就会出现不可预知的问题。
另外，JVM在底层设计上，对与那些没有同步到主存里的变量，可能会以不一样的操作顺序来执行指令，那么对于有些无关顺序的指令，打乱顺序执行在JVM看来也是可行的。
因此，总结起来，会有以下两种潜在问题：
缓存不一致性 、 重排序执行
5、重排序
在执行程序时为了提高性能，编译器和处理器经常会对指令进行重排序。重排序分成三种类型：
编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义放入前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。
从Java源代码到最终实际执行的指令序列，会经过下面三种重排序：
上述的1属于编译器重排序，2和3属于处理器重排序。这些重排序都可能会导致多线程程序出现内存可见性问题。对于编译器，JMM的编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排序（不是所有的编译器重排序都要禁止）。对于处理器重排序，JMM的处理器重排序规则会要求java编译器在生成指令序列时，插入特定类型的内存屏障（memory barriers，intel称之为memory fence）指令，通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序（不是所有的处理器重排序都要禁止）。
JMM属于语言级的内存模型，它确保在不同的编译器和不同的处理器平台之上，通过禁止特定类型的编译器重排序和处理器重排序，为程序员提供一致的内存可见性保证。
6、解决Java存储模型潜在的问题
为了能让开发人员安全正确地在Java存储模型上编程，JVM提供了一个happens-before原则:
6.1 happen—before规则介绍
Java语言中有一个“先行发生”（happen—before）的规则，它是Java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系，如果操作A先行发生于操作B，其意思就是说，在发生操作B之前，操作A产生的影响都能被操作B观察到，“影响”包括修改了内存*享变量的值、发送了消息、调用了方法等，它与时间上的先后发生基本没有太大关系。这个原则特别重要，它是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据。
举例来说，假设存在如下三个线程，分别执行对应的操作:
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线程A中执行如下操作：i=1
线程B中执行如下操作：j=i
线程C中执行如下操作：i=2
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假设线程A中的操作”i=1“ happen—before线程B中的操作“j=i”，那么就可以保证在线程B的操作执行后，变量j的值一定为1，即线程B观察到了线程A中操作“i=1”所产生的影响；现在，我们依然保持线程A和线程B之间的happen—before关系，同时线程C出现在了线程A和线程B的操作之间，但是C与B并没有happen—before关系，那么j的值就不确定了，线程C对变量i的影响可能会被线程B观察到，也可能不会，这时线程B就存在读取到不是最新数据的风险，不具备线程安全性。
下面是Java内存模型中的八条可保证happen—before的规则，它们无需任何同步器协助就已经存在，可以在编码中直接使用。如果两个操作之间的关系不在此列，并且无法从下列规则推导出来的话，它们就没有顺序性保障，虚拟机可以对它们进行随机地重排序。
1、程序次序规则：在一个单独的线程中，按照程序代码的执行流顺序，（时间上）先执行的操作happen—before（时间上）后执行的操作。
2、管理锁定规则：一个unlock操作happen—before后面（时间上的先后顺序，下同）对同一个锁的lock操作。
3、volatile变量规则：对一个volatile变量的写操作happen—before后面对该变量的读操作。
4、线程启动规则：Thread对象的start（）方法happen—before此线程的每一个动作。
5、线程终止规则：线程的所有操作都happen—before对此线程的终止检测，可以通过Thread.join（）方法结束、Thread.isAlive（）的返回值等手段检测到线程已经终止执行。
6、线程中断规则：对线程interrupt（）方法的调用happen—before发生于被中断线程的代码检测到中断时事件的发生。
7、对象终结规则：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）happen—before它的finalize（）方法的开始。
8、传递性：如果操作A happen—before操作B，操作B happen—before操作C，那么可以得出A happen—before操作C。
另外，一定要明确只有共享变量才会有以上那些问题，如果变量只是这个线程自己使用，就不用担心那么多问题了
final域
final类型的域是不能修改的，除了这一点外，在Java内存模型中，final域还有着特殊的语义，final域能确保初始化过程的安全性，从而可以不受限制地访问不可变对象，并在共享这些对象时无须同步。具体而言，就是被final修饰的字段在构造器中一旦被初始化完成，并且构造器没有把“this”的引用传递出去（this引用逃逸是一件很危险的事情，其他线程有可能通过这个引用访问到“初始化了一半”的对象），那么在其他线程中就能看到final字段的值，而且其外、外部可见状态永远也不会改变。它所带来的安全性是最简单最纯粹的。
long和double型变量的特殊规则
Java内存模型要求lock、unlock、read、load、assign、use、store和write这8个操作都具有原子性，但是对于64位的数据类型long和double，在模型中特别定义了一条宽松的规定：允许虚拟机将没有被volatile修饰的64位数据的读写操作划分为两次32位的操作来进行。这样，如果有多个线程共享一个未被声明为volatile的long或double类型的变量，并且同时对它们进行读取和修改操作，那么某些线程可能会读到一个既非原值，也非其他线程修改值得代表了“半个变量”的数值。不过这种读取到“半个变量”的情况非常罕见，因为Java内存模型虽然允许虚拟机不把long和double变量的读写实现成原子操作，但允许迅疾选择把这些操作实现为具有原子性的操作，而且还“强烈建议”虚拟机这样实现。目前各种平台下的商用虚拟机几乎都选择吧64位数据的读写操作作为原子操作来对待，因此在编码时，不需要将long和double变量专门声明为volatile。
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