1、内存模型

内存模型可以理解为在特定的操作协议下，对特定的内存或者高速缓存进行读写访问的过程抽象。

不同架构的物理机器可以拥有不一样的内存模型，而Java虚拟机也有自己的内存模型，并且与这里介绍的内存访问操作及硬件的缓存访问操作具有高度的可类比性。

缓存一致性协议有MSI、MESI、MOSI、Synapse、Firefly、Dragon Protocal等。

除了增加高速缓存之外，为了使处理器内部的运算单元能被充分利用，处理器可能会对输出的代码进行乱序执行优化，处理器会在计算之后将乱序执行的结果重组，保证该结果与顺序执行的结果是一致的，但并不保证程序中各个语句计算的先后顺序与输入代码中的顺序一致（单线程没问题，多线程之间有数据共享就会出现问题）。Java虚拟机的即时编译器也会有指令重排的优化。

2、Java内存模型

Java内存模型（JMM）来屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。

定义Java内存模型必须足够严谨，让Java的并发内存访问不会有歧义；但是也要定义的足够宽松，使得虚拟机的实现能有足够的空间去利用硬件的各种特性（寄存器、高速缓存和指令集中的特有指令）来获取更好的执行速度。

2.1 主内存和工作内存

Java内存模型的主要目的是定义程序中各种变量的访问规则，即关注再虚拟机中把变量值存储到内存和从内存中读取出变量值这样的底层细节。此处的变量与Java编程中所说的变量有所区别，它包括了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，但不包括局部变量与方法参数，因为这两个是线程私有的，不会被共享，自然不会产生竞争问题。

Java内存模型并没有限制执行引擎使用处理器的特定寄存器或缓存来和主内存交互，也没有限制即时编译器是否要进行调整代码执行顺序（指令重排）这类优化策略。

Java内存模型规定了所有变量都存储在主内存中。每条线程还有自己的工作内存（高速缓存中或者寄存器中），线程的工作内存保存了被该线程使用的变量的主内存副本，线程对变量的所有操作（volatile变量仍然有工作内存的拷贝，但是由于它特殊的操作顺序性规定，所以看起来如同直接在主内存中读写访问一般）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存的数据。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存的变量，线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成。

为了获取更好的运行速度，虚拟机（操作系统优化策略或者硬件）可能会让工作内存优先存储于寄存器和高速缓存中，因为程序运行时主要访问的是工作内存。

2.2 内存间的交互操作

Java内存模型定义了以下8种操作来完成主内存和工作内存之间的交互。Java虚拟机实现时必须保证下面的每一种操作都是原子的、不可再分的（对于double和long类型的变量来说，load、store、read和write操作在某些平台是时允许有例外的）。

lock（锁定）：作用于主内存的变量，它把一个变量便是为一条线程独占的状态。

unlock（解锁）：作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才能被其他线程锁定。

read（读取）：作用于主内存的变量，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中，以便于随后的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。

user（使用）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎，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受的值赋给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值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，它把工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write操作使用。

write（写入）：作用域主内存的变量，它把store操作从工作内存得到的变量的值放入到主内存的变量中。

如果要把一个变量从主内存拷贝到工作内存，那就要按顺序执行read、load操作。

如果要把一个变量从工作内存同步到主内存，那就要按顺序执行store、write操作。

按顺序执行，但不要求连续执行。即read和load之间、store和write之间可以插入其他操作。

除此之外，Java内存模型还规定了上述8种基本操作必须满足如下规则：

1、不允许read和load、store和write操作之一单独出现，即不允许一个变量从主内存读取了但工作内存不接受，或者从工作内存发起回写了但主内存不接受的情况出现。

2、不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存。（对于普通变量，其他线程还是会从工作内存中读取旧的值，直到再次去主内存读取）

3、‘不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从线程的工作内存同步回主内存中。

4、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，换句话说，就是对一个变量实施use、store操作之前，必须先执行过了assign和load操作。

5、一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一条线程重复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。

6、如果对一个变量执行lock操作，那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。（重新从主内存读取变量，保证最新的值）

7、如果一个变量事先没有被lock操作锁定，那就不允许对它执行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定住的变量。

8、对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行store、write操作）。

2.3 volatile

Java内存模型为volatile专门定义了一些特殊的访问规则，当一个变量被定义为volatile之后，他将具备两项特性：第一项时保证此变量对象所有线程的可见性，这里的可见性是指当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的。而普通变量并不能做到这一点，普通变量的值在线程间传递需要通过主内存来完成。