摘要：內存模型即，簡稱，其規范了虛擬機與計算機內存時如何協同工作的，規定了一個線程如何和何時看到其他線程修改過的值，以及在必須時，如何同步訪問共享變量。內存模型要求調用棧和本地變量存放在線程棧上，對象存放在堆上。

Java內存模型即Java Memory Model，簡稱JMM，其規范了Java虛擬機與計算機內存時如何協同工作的，規定了一個線程如何和何時看到其他線程修改過的值，以及在必須時，如何同步訪問共享變量。

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

堆heap：運行時的數據區，由垃圾回收負責，動態分配大小。存取速度較慢；

棧stack：存取速度比堆快，僅次于寄存器，數據可以共享，大小和生存期等是固定的。

Java內存模型要求調用棧和本地變量存放在線程棧上，對象存放在堆上。
一個變量也可能是指向一個對象的引用，引用這個變量是放在線程棧上，但對象本身是放在堆上的。
一個對象它可能包含方法(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象存放在堆上，一個對象的成員變量可能會隨著對象自身存放在堆上，不管這個對象是原始類型還是引用類型。
靜態成員變量跟隨著類的定義存放在堆上，存放在堆上的對象可以被所持有對這個對象引用的線程訪問。
當一個線程可以訪問一個對象時，它也可以訪問這個對象的成員變量，如果兩個線程同時調用同一個對象上的同一個方法，他們都會訪問這個對象的成員變量，但是每一個線程都擁有了成員變量的私有拷貝。

接下來我們再來看看計算機硬件架構的圖示：

這里是個多CPU的結構，一個cpu中可能還包含多核。因此我們可以看出，在有兩個或者多個cpu的現代計算機上，同時運行多個線程是有可能的，而且每個cpu在某個時刻運行一個線程是沒問題的。若Java程序是多線程的，在Java程序中，每個cpu上一個線程是可能同時并發執行的。

在CPU內部有一組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。即CPU操作的速度上主存 < 緩存 < 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。

當一個CPU需要訪問主存時，會先讀取一部分主存數據到CPU緩存，進而在讀取CPU緩存到寄存器。當CPU需要寫數據到主存時，同樣會先將寄存器的數據刷新到CPU緩存，然后再在某些節點把緩存數據刷新到主存。

Java內存模型和硬件內存架構并不一致。硬件內存架構中并沒有區分棧和堆，從硬件上看，所有的線程棧和堆都分布在主主存中，當然一部分棧和堆的數據也有可能會存到CPU緩存和寄存器中，如下圖所示，Java內存模型和計算機硬件內存架構是一個交叉關系：

在并發編程中，需要處理兩個關鍵問題：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執行的活動實體）。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：共享內存和消息傳遞。

在共享內存的并發模型里，線程之間共享程序的公共狀態，通過寫-讀內存中的公共狀態進行隱式通信。在消息傳遞的并發模型里，線程之間沒有公共狀態，線程之間必須通過發送消息來顯式進行通信。
同步是指程序中用于控制不同線程間操作發生相對順序的機制。在共享內存并發模型里，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行。
在消息傳遞的并發模型里，由于消息的發送必須在消息的接收之前，因此同步是隱式進行的。
Java的并發采用的是共享內存模型，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。

接下來我們從抽象角度看看線程和主存之間的抽象關系：

線程之間的共享變量存儲在主內存里，每個線程都有個私有的本地內存，存儲了該線程以讀/寫共享變量的副本。它涵蓋了緩存、寫緩沖區、寄存器以及其他的硬件和編譯器優化。本地內存是JMM的一個抽象概念，并不真實存在。

從上圖來看，如果線程A與線程B之間要通信的話，必須要經歷下面2個步驟。
1）線程A把本地內存A中更新過的共享變量刷新到主內存中去。
2）線程B到主內存中去讀取線程A之前已更新過的共享變量。

本地內存A和本地內存B由主內存中共享變量x的副本。假設初始時，這3個內存中的x值都為0。線程A在執行時，把更新后的x值（假設值為1）臨時存放在自己的本地內存A中。當線程A和線程B需要通信時，線程A首先會把自己本地內存中修改后的x值刷新到主內
存中，此時主內存中的x值變為了1。隨后，線程B到主內存中去讀取線程A更新后的x值，此時線程B的本地內存的x值也變為了1。
從整體來看，這兩個步驟實質上是線程A在向線程B發送消息，而且這個通信過程必須要經過主內存。JMM通過控制主內存與每個線程的本地內存之間的交互，來為Java程序員提供內存可見性保證。

為了保證并發時程序處理的準確性，這里就需要一些同步的手段，這里我們介紹一下Java內存模型定義的同步的八種操作和一些規則。

lock（鎖定）：作用于主內存的變量，把一個變量標識為一條線程獨占狀態；

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

read（讀取）：作用于主內存的變量，把一個變量值從主內存傳輸到線程的工作內存中，以便隨后的load動作使用；

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

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

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

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

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

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

不允許一個線程丟棄離他最近的assign操作

不允許一個線程未發生assign操作就將數據同步至主線程；

一個新的變量，只能從主內存中誕生，不允許在工作內存中生成一個未被初始化的變量。

一個變量在同一時刻只允許一個線程執行lock操作，lock可以被同一個線程執行多次，需要相同次數的unlock操作才能解鎖；

如果一個變量執行了lock操作，則會清空工作內存中的值，執行引擎使用這個變量前需要重新執行load或者assign操作來拿到初始化變量的值；

如果一個變量沒有被lock操作執行，則不允許對其進行unlock操作，也不允許unlock一個被其他線程lock的變量，unlock操作執行之前，必須將此變量同步回主內存。

參考文檔：

《Java并發編程的藝術》

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

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