JMM
Java Memory Model 是用于屏蔽不同操作系统内存交互区别的一组抽象概念。Java内存模型描述了Java编程语言中的线程如何通过内存进行交互。提供了Java编程语言的语义。
Java应用程序可能在各种处理器和操作系统上运行，为了能够得出关于程序的行为的确定结论，Java的设计人员决定明确定义所有Java程序的可能性。
即JMM向程序员承诺一系列规则和描述，以便程序员在编程时能确定代码运行的结果，而非受多线程运行中，导致不可预料的运行结果。
主内存与工作内存
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，即关注在虚拟机中把变量值存储到 内存和从内存中取出变量值这样的底层细节。Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存（Main Memory）中（此处的主内存与物理 硬件的提主内存名字一样，两者也可以类比，但物理上它仅是虚拟机内存的一部分）。
每条线程 还有自己的工作内存（Working Memory，可与前面讲的处理器高速缓存类比），线程的工作内存中保 存了被该线程使用的变量的主内存副本[2]，线程对变量的所有操作（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的数据[3]。
内存交互
Java内存模型中定义了以下8种操作用于实现主内存与工作内存之间具体的交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从 工作内存同步回主内存这一类的实现细节。Java虚拟机实现时必须保证下面提及的每一种操作都是原子的、不可再分的。
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lock（锁定）：作用于主内存的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态。 ·
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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。
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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 便随后的load动作使用。
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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。
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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变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
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assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收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。
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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。
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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。
Java内存模型还规定了在执行上述8种基本操作时必须满足如下规则：
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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，或者工作内存发起回写了但主内存不接受的情况出现。
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不允许一个线程丢弃它最近的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。
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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。
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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assign和load操作。
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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。
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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操作以初始化变量的值。
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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的变量。
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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）。
基于理解难度和严谨性考虑，最新的JSR-133文档中，已经放弃了采用这8种操作去定义Java内存模型的访问协议，缩减为4种：read、write、lock和unlock四种（仅是描述方式改变了，Java内存模型并没有改变）
三大特征
原子性、可见性、有序性三大特征是多线程编程中的重要基石。JMM围绕着在并发过程中这三个特征来建立。
原子性
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和write，如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证（经常会遇到），Java内存模型还提供了lock和unlock操作来满足这种需求，尽管虚拟机未把lock和unlock操作直接开放给用户使用，但是却提供了更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐式地使用这两个操作。这两个字节码指令反映到Java 代码中就是同步块——synchronized关键字，因此在synchronized块之间的操作也具备原子性。
可见性
可见性就是指当一个线程修改了共享变量的值时，其他线程能够立即得知这个修改。volatile、synchronized、final都能保证变量的修改及时同步到其他线程的工作内存。
有序性
Java语言提供了volatile和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，而synchronized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”这条规则获得的，这个规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。
Heppen-Before原则
Heppen-Before原则是Java内存模型下一些“天然的”先行发生关系，这些先行发生关系无须任何同步器协助就已经存在，可以在编码中直接使用。如果两个操作之间的关系不在此列，并且无法从下列规则推导出来，则它们就没有顺序性保障，虚拟机可以对它们随意地进行重排序。
Heppen-Before原则是用来判断是否存数据竞争、线程是否安全的主要依据，它保证了多线程环境下的可见性
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程序次序规则（Program Order Rule）：在一个线程内，按照控制流顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。注意，这里说的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。
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管程锁定规则（Monitor Lock Rule）：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。这里必须强调的是“同一个锁”，而“后面”是指时间上的先后。
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volatile变量规则（Volatile Variable Rule）：对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作，这里的“后面”同样是指时间上的先后。
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线程启动规则（Thread Start Rule）：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作。
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线程终止规则（Thread Termination Rule）：线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测，我们可以通过Thread::join()方法是否结束、Thread::isAlive()的返回值等手段检测线程是否已经终止执行。
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线程中断规则（Thread Interruption Rule）：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。
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对象终结规则（Finalizer Rule）：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。
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传递性（Transitivity）：如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，那就可以得出操作A先行发生于操作C的结论。
volatile
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。
有序性保证
为了实现volatile的内存语义，JMM会限度特定类型的编译器和处理器重排序，JMM会针对编译器制订volatile重排序规定表， 总结来说就是：
- 第二个操作是volatile写，不论第一个操作是什么都不会重排序
- 第一个操作是volatile读，不论第二个操作是什么都不会重排序
- 第一个操作是volatile写，第二个操作是volatile读，也不会产生重排序
进一步，通过插入内存屏障保障的，JMM层面的内存屏障分为读（load）屏障和写（Store）屏障，排列组合就有了四种屏障。对于volatile操作，JMM内存屏障插入策略：
- 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreStore屏障
- 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreLoad屏障
- 在每个volatile读操作的前面插入一个LoadLoad屏障
- 在每个volatile读操作的前面插入一个LoadStore屏障 以上内存屏障是JMM给出逻辑概念，在具体底层实现随硬件的不同而改变。
以X86平台为例，主要提供了这几种内存屏障指令：
- lfence指令：在lfence指令前的读操作当必须在lfence指令后的读操作前实现，相似于读屏障
- sfence指令：在sfence指令前的写操作当必须在sfence指令后的写操作前实现，相似于写屏障
- mfence指令： 在mfence指令前的读写操作当必须在mfence指令后的读写操作前实现，相似读写屏障。
JMM标准须规定了这么多内存屏障，但实际硬件上并不需要加这么多内存屏障。以X86处理器为例，X86处理器不会对读-读、读-写和写-写操作做重排序，会省略掉这3种操作类型对应的内存屏障，仅会对写-读操作做重排序。所以volatile写-读操作只须要在volatile写后插入StoreLoad屏障。
而在x86处理器中，有三种办法能够实现实现StoreLoad屏障的成果，分别为：
- mfence指令：上文提到过，能实现全能型屏障，具备lfence和sfence的能力。
- cpuid指令：cpuid操作码是一个面向x86架构的处理器补充指令，它的名称派生自CPU辨认，作用是容许软件发现处理器的详细信息。
- lock指令前缀：总线锁。
实际上HotSpot对于volatile的实现就是应用的lock指令，只在volatile标记的中央加上带lock前缀指令操作，并没有参照JMM标准的屏障设计而应用对应的mfence指令。
可见性保证
可见性保证本质上就是禁用缓存，Lock总线锁，使其他线程内的副本失效，以保证数据一致。
Lock指令的作用：
- 确保后续指令执行的原子性。在Pentium及之前的处理器中，带有lock前缀的指令在执行期间会锁住总线，使得其它处理器临时无奈通过总线拜访内存，很显然，这个开销很大。在新的处理器中，Intel应用缓存锁定来保障指令执行的原子性，缓存锁定将大大降低lock前缀指令的执行开销。
- 禁止该指令与后面和前面的读写指令重排序。
- 把写缓冲区的所有数据刷新到内存中。
