摘要：內(nèi)存模型即，簡(jiǎn)稱，其規(guī)范了虛擬機(jī)與計(jì)算機(jī)內(nèi)存時(shí)如何協(xié)同工作的，規(guī)定了一個(gè)線程如何和何時(shí)看到其他線程修改過(guò)的值，以及在必須時(shí)，如何同步訪問(wèn)共享變量。內(nèi)存模型要求調(diào)用棧和本地變量存放在線程棧上，對(duì)象存放在堆上。

Java內(nèi)存模型即Java Memory Model，簡(jiǎn)稱JMM，其規(guī)范了Java虛擬機(jī)與計(jì)算機(jī)內(nèi)存時(shí)如何協(xié)同工作的，規(guī)定了一個(gè)線程如何和何時(shí)看到其他線程修改過(guò)的值，以及在必須時(shí)，如何同步訪問(wèn)共享變量。

在解釋Java內(nèi)存模型之前，我們先了解下JVM的內(nèi)存分配的幾個(gè)概念，如下圖所示，Java內(nèi)存模型把內(nèi)存分為兩大塊，一個(gè)是堆一個(gè)是棧。

堆heap：運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)區(qū)，由垃圾回收負(fù)責(zé)，動(dòng)態(tài)分配大小。存取速度較慢；

棧stack：存取速度比堆快，僅次于寄存器，數(shù)據(jù)可以共享，大小和生存期等是固定的。

Java內(nèi)存模型要求調(diào)用棧和本地變量存放在線程棧上，對(duì)象存放在堆上。
一個(gè)變量也可能是指向一個(gè)對(duì)象的引用，引用這個(gè)變量是放在線程棧上，但對(duì)象本身是放在堆上的。
一個(gè)對(duì)象它可能包含方法(methodOne..)，方法包含本地變量（Local variable1..)，這些本地變量都仍然是放在線程棧上的，即使這些方法所屬的對(duì)象存放在堆上，一個(gè)對(duì)象的成員變量可能會(huì)隨著對(duì)象自身存放在堆上，不管這個(gè)對(duì)象是原始類型還是引用類型。
靜態(tài)成員變量跟隨著類的定義存放在堆上，存放在堆上的對(duì)象可以被所持有對(duì)這個(gè)對(duì)象引用的線程訪問(wèn)。
當(dāng)一個(gè)線程可以訪問(wèn)一個(gè)對(duì)象時(shí)，它也可以訪問(wèn)這個(gè)對(duì)象的成員變量，如果兩個(gè)線程同時(shí)調(diào)用同一個(gè)對(duì)象上的同一個(gè)方法，他們都會(huì)訪問(wèn)這個(gè)對(duì)象的成員變量，但是每一個(gè)線程都擁有了成員變量的私有拷貝。

接下來(lái)我們?cè)賮?lái)看看計(jì)算機(jī)硬件架構(gòu)的圖示：

這里是個(gè)多CPU的結(jié)構(gòu)，一個(gè)cpu中可能還包含多核。因此我們可以看出，在有兩個(gè)或者多個(gè)cpu的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)上，同時(shí)運(yùn)行多個(gè)線程是有可能的，而且每個(gè)cpu在某個(gè)時(shí)刻運(yùn)行一個(gè)線程是沒(méi)問(wèn)題的。若Java程序是多線程的，在Java程序中，每個(gè)cpu上一個(gè)線程是可能同時(shí)并發(fā)執(zhí)行的。

在CPU內(nèi)部有一組CPU寄存器，也就是CPU的儲(chǔ)存器。

CPU操作寄存器的速度要比操作計(jì)算機(jī)主存快的多，在主存和CPU寄存器之間還存在一個(gè)CPU緩存，CPU操作CPU緩存的速度快于主存但慢于CPU寄存器。即CPU操作的速度上主存 < 緩存 < 寄存器。某些CPU可能有多個(gè)緩存層（一級(jí)緩存和二級(jí)緩存）。計(jì)算機(jī)的主存也稱作RAM，所有的CPU都能夠訪問(wèn)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(gè)CPU需要訪問(wèn)主存時(shí)，會(huì)先讀取一部分主存數(shù)據(jù)到CPU緩存，進(jìn)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(shí)，同樣會(huì)先將寄存器的數(shù)據(jù)刷新到CPU緩存，然后再在某些節(jié)點(diǎn)把緩存數(shù)據(jù)刷新到主存。

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(méi)有區(qū)分棧和堆，從硬件上看，所有的線程棧和堆都分布在主主存中，當(dāng)然一部分棧和堆的數(shù)據(jù)也有可能會(huì)存到CPU緩存和寄存器中，如下圖所示，Java內(nèi)存模型和計(jì)算機(jī)硬件內(nèi)存架構(gòu)是一個(gè)交叉關(guān)系：

在并發(fā)編程中，需要處理兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：線程之間如何通信及線程之間如何同步（這里的線程是指并發(fā)執(zhí)行的活動(dòng)實(shí)體）。通信是指線程之間以何種機(jī)制來(lái)交換信息。在命令式編程中，線程之間的通信機(jī)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)，通過(guò)寫-讀內(nèi)存中的公共狀態(tài)進(jìn)行隱式通信。在消息傳遞的并發(fā)模型里，線程之間沒(méi)有公共狀態(tài)，線程之間必須通過(guò)發(fā)送消息來(lái)顯式進(jìn)行通信。
同步是指程序中用于控制不同線程間操作發(fā)生相對(duì)順序的機(jī)制。在共享內(nèi)存并發(fā)模型里，同步是顯式進(jìn)行的。程序員必須顯式指定某個(gè)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(jìn)行的。
Java的并發(fā)采用的是共享內(nèi)存模型，Java線程之間的通信總是隱式進(jìn)行，整個(gè)通信過(guò)程對(duì)程序員完全透明。

接下來(lái)我們從抽象角度看看線程和主存之間的抽象關(guān)系：

線程之間的共享變量存儲(chǔ)在主內(nèi)存里，每個(gè)線程都有個(gè)私有的本地內(nèi)存，存儲(chǔ)了該線程以讀/寫共享變量的副本。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。本地內(nèi)存是JMM的一個(gè)抽象概念，并不真實(shí)存在。

從上圖來(lái)看，如果線程A與線程B之間要通信的話，必須要經(jīng)歷下面2個(gè)步驟。
1）線程A把本地內(nèi)存A中更新過(guò)的共享變量刷新到主內(nèi)存中去。
2）線程B到主內(nèi)存中去讀取線程A之前已更新過(guò)的共享變量。

本地內(nèi)存A和本地內(nèi)存B由主內(nèi)存中共享變量x的副本。假設(shè)初始時(shí)，這3個(gè)內(nèi)存中的x值都為0。線程A在執(zhí)行時(shí)，把更新后的x值（假設(shè)值為1）臨時(shí)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(shí)，線程A首先會(huì)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(shí)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(shí)線程B的本地內(nèi)存的x值也變?yōu)榱?。
從整體來(lái)看，這兩個(gè)步驟實(shí)質(zhì)上是線程A在向線程B發(fā)送消息，而且這個(gè)通信過(guò)程必須要經(jīng)過(guò)主內(nèi)存。JMM通過(guò)控制主內(nèi)存與每個(gè)線程的本地內(nèi)存之間的交互，來(lái)為Java程序員提供內(nèi)存可見(jiàn)性保證。

為了保證并發(fā)時(shí)程序處理的準(zhǔn)確性，這里就需要一些同步的手段，這里我們介紹一下Java內(nèi)存模型定義的同步的八種操作和一些規(guī)則。

lock（鎖定）：作用于主內(nèi)存的變量，把一個(gè)變量標(biāo)識(shí)為一條線程獨(dú)占狀態(tài)；

unlock（解鎖）：作用于主內(nèi)存的變量，把一個(gè)處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來(lái)，釋放后的變量才可以被其他線程鎖定；

read（讀取）：作用于主內(nèi)存的變量，把一個(gè)變量值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)骄€程的工作內(nèi)存中，以便隨后的load動(dòng)作使用；

load（載入）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把read操作從主內(nèi)存中得到的變量值放入工作內(nèi)存的變量副本中；

use（使用）：作用于工作內(nèi)存的變量，把工作內(nèi)存中的一個(gè)變量值傳遞給執(zhí)行引擎；

assign（賦值）： 作用于工作內(nèi)存的變量，它把一個(gè)執(zhí)行引擎接受到的值賦值給工作內(nèi)存的變量；

store（存儲(chǔ)）：作用于工作內(nèi)存的變量，把工作內(nèi)存中的一個(gè)變量的值傳送到主內(nèi)存中，以便隨后的write操作；

write（寫入）: 作用于主內(nèi)存的變量，他把store操作從工作內(nèi)存中一個(gè)變量的值傳送到主內(nèi)存的變量中。

不允許read/load,store/write單一出現(xiàn)，且必須按順序執(zhí)行，但中間可以插入其他指令；

不允許一個(gè)線程丟棄離他最近的assign操作

不允許一個(gè)線程未發(fā)生assign操作就將數(shù)據(jù)同步至主線程；

一個(gè)新的變量，只能從主內(nèi)存中誕生，不允許在工作內(nèi)存中生成一個(gè)未被初始化的變量。

一個(gè)變量在同一時(shí)刻只允許一個(gè)線程執(zhí)行l(wèi)ock操作，lock可以被同一個(gè)線程執(zhí)行多次，需要相同次數(shù)的unlock操作才能解鎖；

如果一個(gè)變量執(zhí)行了lock操作，則會(huì)清空工作內(nèi)存中的值，執(zhí)行引擎使用這個(gè)變量前需要重新執(zhí)行l(wèi)oad或者assign操作來(lái)拿到初始化變量的值；

如果一個(gè)變量沒(méi)有被lock操作執(zhí)行，則不允許對(duì)其進(jìn)行unlock操作，也不允許unlock一個(gè)被其他線程lock的變量，unlock操作執(zhí)行之前，必須將此變量同步回主內(nèi)存。

參考文檔：

《Java并發(fā)編程的藝術(shù)》

https://blog.csdn.net/suifeng...

https://coding.imooc.com/lear...