从 CPU 缓存模型说起
为什么要弄一个 CPU 高速缓存呢？ 类比我们开发网站后台系统使用的缓存（比如 Redis）是为了解决程序处理速度和访问常规关系型数据库速度不对等的问题。 CPU 缓存则是为了解决 CPU 处理速度和内存处理速度不对等的问题。
我们甚至可以把 内存看作外存的高速缓存，程序运行的时候我们把外存的数据复制到内存，由于内存的处理速度远远高于外存，这样提高了处理速度。
总结：CPU Cache 缓存的是内存数据用于解决 CPU 处理速度和内存不匹配的问题，内存缓存的是硬盘数据用于解决硬盘访问速度过慢的问题。
为了更好地理解，一个简单的 CPU Cache 示意图如下所示。
CPU Cache 的工作方式： 先复制一份数据到 CPU Cache 中，当 CPU 需要用到的时候就可以直接从 CPU Cache 中读取数据，当运算完成后，再将运算得到的数据写回 Main Memory 中。但是，这样存在 内存缓存不一致性的问题 ！比如我执行一个 i++ 操作的话，如果两个线程同时执行的话，假设两个线程从 CPU Cache 中读取的 i=1，两个线程做了 1++ 运算完之后再写回 Main Memory 之后 i=2，而正确结果应该是 i=3。
CPU 为了解决内存缓存不一致性问题可以通过制定缓存一致协议（比如 MESI 协议open in new window）或者其他手段来解决。 这个缓存一致性协议指的是在 CPU 高速缓存与主内存交互的时候需要遵守的原则和规范。不同的 CPU 中，使用的缓存一致性协议通常也会有所不同。
指令重排序
说完了 CPU 缓存模型，我们再来看看另外一个比较重要的概念 指令重排序 。
为了提升执行速度/性能，计算机在执行程序代码的时候，会对指令进行重排序。
什么是指令重排序？ 简单来说就是系统在执行代码的时候并不一定是按照你写的代码的顺序依次执行。
常见的指令重排序有下面 2 种情况：
- 编译器优化重排 ：编译器（包括 JVM、JIT 编译器等）在不改变单线程程序语义的前提下，重新安排语句的执行顺序。
- 指令并行重排 ：现代处理器采用了指令级并行技术(Instruction-Level Parallelism，ILP)来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
另外，内存系统也会有“重排序”，但又不是真正意义上的重排序。在 JMM 里表现为主存和本地内存的内容可能不一致，进而导致程序在多线程下执行可能出现问题。
Java 源代码会经历 编译器优化重排 —> 指令并行重排 —> 内存系统重排 的过程，最终才变成操作系统可执行的指令序列。
指令重排序可以保证串行语义一致，但是没有义务保证多线程间的语义也一致 ，所以在多线程下，指令重排序可能会导致一些问题。
编译器和处理器的指令重排序的处理方式不一样。对于编译器，通过禁止特定类型的编译器重排序的方式来禁止重排序。对于处理器，通过插入内存屏障（Memory Barrier，或有时叫做内存栅栏，Memory Fence）的方式来禁止特定类型的处理器重排序。指令并行重排和内存系统重排都属于是处理器级别的指令重排序。
内存屏障（Memory Barrier，或有时叫做内存栅栏，Memory Fence）是一种 CPU 指令，用来禁止处理器指令发生重排序（像屏障一样），从而保障指令执行的有序性。另外，为了达到屏障的效果，它也会使处理器写入、读取值之前，将主内存的值写入高速缓存，清空无效队列，从而保障变量的可见性。
JMM(Java Memory Model)
什么是 JMM？为什么需要 JMM？
Java 是最早尝试提供内存模型的编程语言。由于早期内存模型存在一些缺陷（比如非常容易削弱编译器的优化能力），从 Java5 开始，Java 开始使用新的内存模型 《JSR-133：Java Memory Model and Thread Specification》open in new window 。
一般来说，编程语言也可以直接复用操作系统层面的内存模型。不过，不同的操作系统内存模型不同。如果直接复用操作系统层面的内存模型，就可能会导致同样一套代码换了一个操作系统就无法执行了。Java 语言是跨平台的，它需要自己提供一套内存模型以屏蔽系统差异。
这只是 JMM 存在的其中一个原因。实际上，对于 Java 来说，你可以把 JMM 看作是 Java 定义的并发编程相关的一组规范，除了抽象了线程和主内存之间的关系之外，其还规定了从 Java 源代码到 CPU 可执行指令的这个转化过程要遵守哪些和并发相关的原则和规范，其主要目的是为了简化多线程编程，增强程序可移植性的。
为什么要遵守这些并发相关的原则和规范呢？ 这是因为并发编程下，像 CPU 多级缓存和指令重排这类设计可能会导致程序运行出现一些问题。就比如说我们上面提到的指令重排序就可能会让多线程程序的执行出现问题，为此，JMM 抽象了 happens-before 原则（后文会详细介绍到）来解决这个指令重排序问题。
JMM 说白了就是定义了一些规范来解决这些问题，开发者可以利用这些规范更方便地开发多线程程序。对于 Java 开发者说，你不需要了解底层原理，直接使用并发相关的一些关键字和类（比如 volatile、synchronized、各种 Lock）即可开发出并发安全的程序。
什么是主内存？什么是本地内存？
- 主内存 ：所有线程创建的实例对象都存放在主内存中，不管该实例对象是成员变量还是方法中的本地变量(也称局部变量)
- 本地内存 ：每个线程都有一个私有的本地内存来存储共享变量的副本，并且，每个线程只能访问自己的本地内存，无法访问其他线程的本地内存。本地内存是 JMM 抽象出来的一个概念，存储了主内存中的共享变量副本。
Java 内存模型的抽象示意图如下
从上图来看，线程 1 与线程 2 之间如果要进行通信的话，必须要经历下面 2 个步骤：
- 线程 1 把本地内存中修改过的共享变量副本的值同步到主内存中去。
- 线程 2 到主存中读取对应的共享变量的值。
也就是说，JMM 为共享变量提供了可见性的保障。
不过，多线程下，对主内存中的一个共享变量进行操作有可能诱发线程安全问题。举个例子：
- 线程 1 和线程 2 分别对同一个共享变量进行操作，一个执行修改，一个执行读取。
- 线程 2 读取到的是线程 1 修改之前的值还是修改后的值并不确定，都有可能，因为线程 1 和线程 2 都是先将共享变量从主内存拷贝到对应线程的工作内存中。
关于主内存与工作内存直接的具体交互协议，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到主内存之间的实现细节，Java 内存模型定义来以下八种同步操作（了解即可，无需死记硬背）：
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锁定（lock） : 作用于主内存中的变量，将他标记为一个线程独享变量。
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解锁（unlock） : 作用于主内存中的变量，解除变量的锁定状态，被解除锁定状态的变量才能被其他线程锁定。
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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) ：把 read 操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量的副本中。
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use(使用) ：把工作内存中的一个变量的值传给执行引擎，每当虚拟机遇到一个使用到变量的指令时都会使用该指令。
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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。
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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。
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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 和 store 操作之前，必须先执行过了 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，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，则不允许对它执行 unlock 操作，也不允许去 unlock 一个被其他线程锁定住的变量。
happens-before原则
JMM提出了happens-before（先行发生）原则，定义一些禁止编译优化的场景，来向各位程序员做一些保证，只要我们是按照原则进行编程，那么就能够保持并发编程的正确性。具体如下：
● 程序次序规则：同一个线程中，按照程序的顺序，前面的操作happens-before后续的任何操作。
同一个线程内，代码的执行结果是有序的。其实就是，可能会发生指令重排，但是保证代码的执行结果一定是和按照顺序执行得到的一致，程序前面对某一个变量的修改一定对后续操作可见的，不可能会出现前面才把a修改为1，接着读a居然是修改前的结果，这也是程序运行最基本的要求。
●监视器锁规则：对一个锁的解锁操作，happens-before后续对这个锁的加锁操作。
就是无论是在单线程环境还是多线程环境，对于同一个锁来说，一个线程对这个锁解锁之后，另一个线程获取了这个锁都能看到前一个线程的操作结果。比如前一个线程将变量x的值修改为了12并解锁，之后另一个线程拿到了这把锁，对之前线程的操作是可见的，可以得到x是前一个线程修改后的结果12（所以synchronized是有happens-before规则的）
●volatile变量规则：对一个volatile变量的写操作happens-before后续对这个变量的读操作。
就是如果一个线程先去写一个volatile变量，紧接着另一个线程去读这个变量，那么这个写操作的结果一定对读的这个变量的线程可见。
●线程启动规则：主线程A启动线程B，线程B中可以看到主线程启动B之前的操作。
在主线程A执行过程中，启动子线程B，那么线程A在启动子线程B之前对共享变量的修改结果对线程B可见。
●线程加入规则：如果线程A执行操作join()线程B并成功返回，那么线程B中的任意操作happens-before线程Ajoin()操作成功返回。
●传递性规则：如果A happens-before B，B happens-before C，那么A happens-before C。
那么我们来从happens-before原则的角度，来解释一下下面的程序结果
private static int a = 0;
private static int b = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
a = 10;
b = a + 1;
new Thread(() -> {
if(b > 10) {
System.out.println(a);
}
}).start();
}
首先我们定义以上出现的操作：
●A：将变量a的值修改为10
●B：将变量b的值修改为a + 1
●C：主线程启动了一个新的线程，并在新的线程中获取b，进行判断，如果为true那么就打印a
首先我们来分析，由于是同一个线程，并且B是一个赋值操作且读取了A，那么按照程序次序规则，A happens-before B，接着在B之后，马上执行了C，按照线程启动规则，在新的线程启动之前，当前线程之前的所有操作对新的线程是可见的，所以 B happens-before C，最后根据传递性规则，由于A happens-before B，B happens-before C，所以A happens-before C，因此在新的线程中会输出a修改后的结果10。
- 参照文章
