Java內(nèi)存模型即Java Memory Model，簡稱JMM。JMM定義了Java 虛擬機(JVM)在計算機內(nèi)存(RAM)中的工作方式。JVM是整個計算機虛擬模型，所以JMM是隸屬于JVM的。
如果我們要想深入了解Java并發(fā)編程，就要先理解好Java內(nèi)存模型。Java內(nèi)存模型定義了多線程之間共享變量的可見性以及如何在需要的時候?qū)蚕碜兞窟M行同步。原始的Java內(nèi)存模型效率并不是很理想，因此Java1.5版本對其進行了重構(gòu)，現(xiàn)在的Java8仍沿用了Java1.5的版本。
在并發(fā)編程領(lǐng)域，有兩個關(guān)鍵問題：線程之間的通信和同步。
線程的通信是指線程之間以何種機制來交換信息。在命令式編程中，線程之間的通信機制有兩種共享內(nèi)存和消息傳遞。
在共享內(nèi)存的并發(fā)模型里，線程之間共享程序的公共狀態(tài)，線程之間通過寫-讀內(nèi)存中的公共狀態(tài)來隱式進行通信，典型的共享內(nèi)存通信方式就是通過共享對象進行通信。
在消息傳遞的并發(fā)模型里，線程之間沒有公共狀態(tài)，線程之間必須通過明確的發(fā)送消息來顯式進行通信，在java中典型的消息傳遞方式就是wait()和notify()。
關(guān)于Java線程之間的通信，可以參考線程之間的通信（thread signal）。
同步是指程序用于控制不同線程之間操作發(fā)生相對順序的機制。
在共享內(nèi)存并發(fā)模型里，同步是顯式進行的。程序員必須顯式指定某個方法或某段代碼需要在線程之間互斥執(zhí)行。
在消息傳遞的并發(fā)模型里，由于消息的發(fā)送必須在消息的接收之前，因此同步是隱式進行的。
Java線程之間的通信總是隱式進行，整個通信過程對程序員完全透明。如果編寫多線程程序的Java程序員不理解隱式進行的線程之間通信的工作機制，很可能會遇到各種奇怪的內(nèi)存可見性問題。
上面講到了Java線程之間的通信采用的是過共享內(nèi)存模型，這里提到的共享內(nèi)存模型指的就是Java內(nèi)存模型(簡稱JMM)，JMM決定一個線程對共享變量的寫入何時對另一個線程可見。從抽象的角度來看，JMM定義了線程和主內(nèi)存之間的抽象關(guān)系：線程之間的共享變量存儲在主內(nèi)存（main memory）中，每個線程都有一個私有的本地內(nèi)存（local memory），本地內(nèi)存中存儲了該線程以讀/寫共享變量的副本。本地內(nèi)存是JMM的一個抽象概念，并不真實存在。它涵蓋了緩存，寫緩沖區(qū)，寄存器以及其他的硬件和編譯器優(yōu)化。
從上圖來看，線程A與線程B之間如要通信的話，必須要經(jīng)歷下面2個步驟：
1. 首先，線程A把本地內(nèi)存A中更新過的共享變量刷新到主內(nèi)存中去。
2. 然后，線程B到主內(nèi)存中去讀取線程A之前已更新過的共享變量。
1
2
3
下面通過示意圖來說明這兩個步驟：?
如上圖所示，本地內(nèi)存A和B有主內(nèi)存中共享變量x的副本。假設(shè)初始時，這三個內(nèi)存中的x值都為0。線程A在執(zhí)行時，把更新后的x值（假設(shè)值為1）臨時存放在自己的本地內(nèi)存A中。當(dāng)線程A和線程B需要通信時，線程A首先會把自己本地內(nèi)存中修改后的x值刷新到主內(nèi)存中，此時主內(nèi)存中的x值變?yōu)榱?。隨后，線程B到主內(nèi)存中去讀取線程A更新后的x值，此時線程B的本地內(nèi)存的x值也變?yōu)榱?。
從整體來看，這兩個步驟實質(zhì)上是線程A在向線程B發(fā)送消息，而且這個通信過程必須要經(jīng)過主內(nèi)存。JMM通過控制主內(nèi)存與每個線程的本地內(nèi)存之間的交互，來為java程序員提供內(nèi)存可見性保證。
上面也說到了，Java內(nèi)存模型只是一個抽象概念，那么它在Java中具體是怎么工作的呢？為了更好的理解上Java內(nèi)存模型工作方式，下面就JVM對Java內(nèi)存模型的實現(xiàn)、硬件內(nèi)存模型及它們之間的橋接做詳細(xì)介紹。
在JVM內(nèi)部，Java內(nèi)存模型把內(nèi)存分成了兩部分：線程棧區(qū)和堆區(qū)，下圖展示了Java內(nèi)存模型在JVM中的邏輯視圖：?
JVM中運行的每個線程都擁有自己的線程棧，線程棧包含了當(dāng)前線程執(zhí)行的方法調(diào)用相關(guān)信息，我們也把它稱作調(diào)用棧。隨著代碼的不斷執(zhí)行，調(diào)用棧會不斷變化。
線程棧還包含了當(dāng)前方法的所有本地變量信息。一個線程只能讀取自己的線程棧，也就是說，線程中的本地變量對其它線程是不可見的。即使兩個線程執(zhí)行的是同一段代碼，它們也會各自在自己的線程棧中創(chuàng)建本地變量，因此，每個線程中的本地變量都會有自己的版本。
所有原始類型(boolean,byte,short,char,int,long,float,double)的本地變量都直接保存在線程棧當(dāng)中，對于它們的值各個線程之間都是獨立的。對于原始類型的本地變量，一個線程可以傳遞一個副本給另一個線程，當(dāng)它們之間是無法共享的。
堆區(qū)包含了Java應(yīng)用創(chuàng)建的所有對象信息，不管對象是哪個線程創(chuàng)建的，其中的對象包括原始類型的封裝類（如Byte、Integer、Long等等）。不管對象是屬于一個成員變量還是方法中的本地變量，它都會被存儲在堆區(qū)。
下圖展示了調(diào)用棧和本地變量都存儲在棧區(qū)，對象都存儲在堆區(qū)：?
一個本地變量如果是原始類型，那么它會被完全存儲到棧區(qū)。?
一個本地變量也有可能是一個對象的引用，這種情況下，這個本地引用會被存儲到棧中，但是對象本身仍然存儲在堆區(qū)。
對于一個對象的成員方法，這些方法中包含本地變量，仍需要存儲在棧區(qū)，即使它們所屬的對象在堆區(qū)。?
對于一個對象的成員變量，不管它是原始類型還是包裝類型，都會被存儲到堆區(qū)。
Static類型的變量以及類本身相關(guān)信息都會隨著類本身存儲在堆區(qū)。
堆中的對象可以被多線程共享。如果一個線程獲得一個對象的應(yīng)用，它便可訪問這個對象的成員變量。如果兩個線程同時調(diào)用了同一個對象的同一個方法，那么這兩個線程便可同時訪問這個對象的成員變量，但是對于本地變量，每個線程都會拷貝一份到自己的線程棧中。
下圖展示了上面描述的過程:?
不管是什么內(nèi)存模型，最終還是運行在計算機硬件上的，所以我們有必要了解計算機硬件內(nèi)存架構(gòu)，下圖就簡單描述了當(dāng)代計算機硬件內(nèi)存架構(gòu)：?
現(xiàn)代計算機一般都有2個以上CPU，而且每個CPU還有可能包含多個核心。因此，如果我們的應(yīng)用是多線程的話，這些線程可能會在各個CPU核心中并行運行。
在CPU內(nèi)部有一組CPU寄存器，也就是CPU的儲存器。CPU操作寄存器的速度要比操作計算機主存快的多。在主存和CPU寄存器之間還存在一個CPU緩存，CPU操作CPU緩存的速度快于主存但慢于CPU寄存器。某些CPU可能有多個緩存層（一級緩存和二級緩存）。計算機的主存也稱作RAM，所有的CPU都能夠訪問主存，而且主存比上面提到的緩存和寄存器大很多。
當(dāng)一個CPU需要訪問主存時，會先讀取一部分主存數(shù)據(jù)到CPU緩存，進而在讀取CPU緩存到寄存器。當(dāng)CPU需要寫數(shù)據(jù)到主存時，同樣會先flush寄存器到CPU緩存，然后再在某些節(jié)點把緩存數(shù)據(jù)flush到主存。
正如上面講到的，Java內(nèi)存模型和硬件內(nèi)存架構(gòu)并不一致。硬件內(nèi)存架構(gòu)中并沒有區(qū)分棧和堆，從硬件上看，不管是棧還是堆，大部分?jǐn)?shù)據(jù)都會存到主存中，當(dāng)然一部分棧和堆的數(shù)據(jù)也有可能會存到CPU寄存器中，如下圖所示，Java內(nèi)存模型和計算機硬件內(nèi)存架構(gòu)是一個交叉關(guān)系：?
當(dāng)對象和變量存儲到計算機的各個內(nèi)存區(qū)域時，必然會面臨一些問題，其中最主要的兩個問題是：
1. 共享對象對各個線程的可見性
2. 共享對象的競爭現(xiàn)象
1
2
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共享對象的可見性
當(dāng)多個線程同時操作同一個共享對象時，如果沒有合理的使用volatile和synchronization關(guān)鍵字，一個線程對共享對象的更新有可能導(dǎo)致其它線程不可見。
想象一下我們的共享對象存儲在主存，一個CPU中的線程讀取主存數(shù)據(jù)到CPU緩存，然后對共享對象做了更改，但CPU緩存中的更改后的對象還沒有flush到主存，此時線程對共享對象的更改對其它CPU中的線程是不可見的。最終就是每個線程最終都會拷貝共享對象，而且拷貝的對象位于不同的CPU緩存中。
下圖展示了上面描述的過程。左邊CPU中運行的線程從主存中拷貝共享對象obj到它的CPU緩存，把對象obj的count變量改為2。但這個變更對運行在右邊CPU中的線程不可見，因為這個更改還沒有flush到主存中：?
要解決共享對象可見性這個問題，我們可以使用java volatile關(guān)鍵字。 Java’s volatile keyword. volatile 關(guān)鍵字可以保證變量會直接從主存讀取，而對變量的更新也會直接寫到主存。volatile原理是基于CPU內(nèi)存屏障指令實現(xiàn)的，后面會講到。
競爭現(xiàn)象
如果多個線程共享一個對象，如果它們同時修改這個共享對象，這就產(chǎn)生了競爭現(xiàn)象。
如下圖所示，線程A和線程B共享一個對象obj。假設(shè)線程A從主存讀取Obj.count變量到自己的CPU緩存，同時，線程B也讀取了Obj.count變量到它的CPU緩存，并且這兩個線程都對Obj.count做了加1操作。此時，Obj.count加1操作被執(zhí)行了兩次，不過都在不同的CPU緩存中。
如果這兩個加1操作是串行執(zhí)行的，那么Obj.count變量便會在原始值上加2，最終主存中的Obj.count的值會是3。然而下圖中兩個加1操作是并行的，不管是線程A還是線程B先flush計算結(jié)果到主存，最終主存中的Obj.count只會增加1次變成2，盡管一共有兩次加1操作。?
要解決上面的問題我們可以使用java synchronized代碼塊。synchronized代碼塊可以保證同一個時刻只能有一個線程進入代碼競爭區(qū)，synchronized代碼塊也能保證代碼塊中所有變量都將會從主存中讀，當(dāng)線程退出代碼塊時，對所有變量的更新將會flush到主存，不管這些變量是不是volatile類型的。
volatile和 synchronized區(qū)別
詳細(xì)請見?volatile和synchronized的區(qū)別
在執(zhí)行程序時，為了提高性能，編譯器和處理器會對指令做重排序。但是，JMM確保在不同的編譯器和不同的處理器平臺之上，通過插入特定類型的Memory Barrier來禁止特定類型的編譯器重排序和處理器重排序，為上層提供一致的內(nèi)存可見性保證。
編譯器優(yōu)化重排序：編譯器在不改變單線程程序語義的前提下，可以重新安排語句的執(zhí)行順序。
指令級并行的重排序：如果不存l在數(shù)據(jù)依賴性，處理器可以改變語句對應(yīng)機器指令的執(zhí)行順序。
內(nèi)存系統(tǒng)的重排序：處理器使用緩存和讀寫緩沖區(qū)，這使得加載和存儲操作看上去可能是在亂序執(zhí)行。
數(shù)據(jù)依賴性
如果兩個操作訪問同一個變量，其中一個為寫操作，此時這兩個操作之間存在數(shù)據(jù)依賴性。?
編譯器和處理器不會改變存在數(shù)據(jù)依賴性關(guān)系的兩個操作的執(zhí)行順序，即不會重排序。
as-if-serial
不管怎么重排序，單線程下的執(zhí)行結(jié)果不能被改變，編譯器、runtime和處理器都必須遵守as-if-serial語義。
上面講到了，通過內(nèi)存屏障可以禁止特定類型處理器的重排序，從而讓程序按我們預(yù)想的流程去執(zhí)行。內(nèi)存屏障，又稱內(nèi)存柵欄，是一個CPU指令，基本上它是一條這樣的指令：
保證特定操作的執(zhí)行順序。
影響某些數(shù)據(jù)（或則是某條指令的執(zhí)行結(jié)果）的內(nèi)存可見性。
編譯器和CPU能夠重排序指令，保證最終相同的結(jié)果，嘗試優(yōu)化性能。插入一條Memory Barrier會告訴編譯器和CPU：不管什么指令都不能和這條Memory Barrier指令重排序。
Memory Barrier所做的另外一件事是強制刷出各種CPU cache，如一個Write-Barrier（寫入屏障）將刷出所有在Barrier之前寫入 cache 的數(shù)據(jù)，因此，任何CPU上的線程都能讀取到這些數(shù)據(jù)的最新版本。
這和java有什么關(guān)系？上面java內(nèi)存模型中講到的volatile是基于Memory Barrier實現(xiàn)的。
如果一個變量是volatile修飾的，JMM會在寫入這個字段之后插進一個Write-Barrier指令，并在讀這個字段之前插入一個Read-Barrier指令。這意味著，如果寫入一個volatile變量，就可以保證：
一個線程寫入變量a后，任何線程訪問該變量都會拿到最新值。
在寫入變量a之前的寫入操作，其更新的數(shù)據(jù)對于其他線程也是可見的。因為Memory Barrier會刷出cache中的所有先前的寫入。
從jdk5開始，java使用新的JSR-133內(nèi)存模型，基于happens-before的概念來闡述操作之間的內(nèi)存可見性。
在JMM中，如果一個操作的執(zhí)行結(jié)果需要對另一個操作可見，那么這兩個操作之間必須要存在happens-before關(guān)系，這個的兩個操作既可以在同一個線程，也可以在不同的兩個線程中。
與程序員密切相關(guān)的happens-before規(guī)則如下：
程序順序規(guī)則：一個線程中的每個操作，happens-before于該線程中任意的后續(xù)操作。
監(jiān)視器鎖規(guī)則：對一個鎖的解鎖操作，happens-before于隨后對這個鎖的加鎖操作。
volatile域規(guī)則：對一個volatile域的寫操作，happens-before于任意線程后續(xù)對這個volatile域的讀。
傳遞性規(guī)則：如果 A happens-before B，且 B happens-before C，那么A happens-before C。
注意：兩個操作之間具有happens-before關(guān)系，并不意味前一個操作必須要在后一個操作之前執(zhí)行！僅僅要求前一個操作的執(zhí)行結(jié)果，對于后一個操作是可見的，且前一個操作按順序排在后一個操作之前。
參考文檔 :?
