Java虚拟机规范中试图定义一种Java内存模型(JMM)来屏蔽掉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。

主内存与工作内存

• Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存(Main Memory)中。
• 每条线程还有自己的工作内存(Working Memory)，线程的工作内存中保存了被该线程使用到的变量的主内存副本拷贝，线程都变量的所有操作(读取、赋值等)都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中变量。
• 不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值得传递均需要通过主内存来完成，线程、主内存、工作内存三者的交互关系如下。

内存间交互操作

• read(读取)：作用于主内存的变量，它把一个变量的值从驻村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，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到变量的值得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，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)：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中。
• lock(锁定)：作用于主内存的变量，它把一个变量表识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，释放后的变量才可以被其他线程锁定。

内存模型的特征

• 原子性(Atomicity)：由Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、load、assign、use、store、write。对于64位的数据类型(long和double)，在模型中特别定义了一条相对宽松规定：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，即允许虚拟机实现选择可以不保证64位数据类型的load、store、read、write这4个操作的原子性，这点就是所谓的long和doble的非原子性协定。
• 可见性(Visibility)：可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即得知这个修改。Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取全从主内存刷新变量值这种依赖主内存作为传递媒介的方式来实现可见性。普通变量与volatile变量的区别是，volatile的特殊规则保证了新值能立即同步到主内存以及每次使用前立即从主内存刷新。volatile保证了多线程操作是变量的可见性，而普通变量则不能保证这一点。
• 有序性(Ordering)：Java程序中天然的有序性总结为：如果在本地线程内观察，所有的操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程，所有的操作都是无序的。前半句是指“线程内表现为串行的语义”，后半句是指“指令重排序”现象和“工作内存与主内存同步延迟”现象。采用volatile与synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性。volatile关键字：本身就包含了禁止指令重排序的语义，synchronize关键字：则是由“一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作”，该条规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。

volatile变量的理解

由于volatile变量只能保证可见性但不保证原子性，在不符合以下两条规则的运算场景中，仍然需要通过加锁(使用synchronized或者J.U.C包中的原子类)来保证原子性。

• 运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值。
• 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束。

内存屏障

为了保证内存可见性，Java编译器在生成指令序列的适当位置会插入内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。

类型共分为以下四种：

• LoadLoad屏障：适用于(Load1、LoadLoad、Load2)指令;在Load2及后续读取操作要读取的数据被访问前，保证Load1需要读取的数据都读取完毕。
• StoreStore屏障：适用于(Store1、StoreStore、Store2)指令;在Store2及所有后续存储指令写入前，保证Store1数据对其他处理器可见。
• LoadStore屏障：适用于(Load1、LoadStore、Store2)指令;在Store2及后续写入操作被刷出前，保证Load1要读取的数据被读取完。
• StoreLoad屏障：适用于(Store1、StoreLoad、Load2)指令;在Load2及后续所有读取操作执行前，保证Store1的写入对所有处理器可见。

happens-before规则(先行发生原则)

先行发生是Java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系，如果说操作A先行发生于操作B，其实就是说在发生操作B之前，操作A产生的影响能被操作B观察到，“影响”包括修改了内存中共享变量的值、发送了消息、调用了方法等。

“天然”先行发生原则:

• 程序次序规则：在一个线程内，按照程序代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。(准确地说，应该是控制流顺序而不是程序代码顺序，因为要考虑分支、循环等结构)
• 管程锁定规则：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。
• volatile变量规则：对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的都操作。
• 线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作。
• 线程终止规则：线程中的所有操作都先行发生与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。
• 线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生，可以通过Thread.interrupted()方法检测到是否有中断发生。
• 对象终结规则：一个对象的初始化完成(构造函数执行结束)先行发生于它的finalize()方法的开始。
• 传递性：如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，那就可以得到操作A先行发生于操作C的结论。