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。

一、CPU 缓存模型

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。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）

1.1 MESI工作原理（单核 CPU）

状态	描述
M 修改 (Modified)	该Cache line有效，数据被修改了，和内存中的数据不一致，数据只存在于本Cache中。
E 独享、互斥 (Exclusive)	该Cache line有效，缓存行内容和内存中的一样，而且其它处理器都没有这行数据；
S 共享 (Shared)	该Cache line有效，缓存行内容和内存中的一样, 有可能其它处理器也存在此缓存行的拷贝
I 无效 (Invalid)	该Cache line无效。

二、指令重排序

（1）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。

（2）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。

三、主内存、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。

四、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

主内存和工作内存之间的交互有具体的交互协议，JMM定义了八种操作来完成，这八种操作是原子的、不可再分的，它们分别是：lock，unlock，read，load，use，assign，store，write，其中lock,unlock,read,write作用于主内存；load,use,assign,store作用于工作内存。

(1) lock:将主内存中的变量锁定，为一个线程所独占

(2) unclock:将lock加的锁定解除，此时其它的线程可以有机会访问此变量

(3) read:将主内存中的变量值读到工作内存当中

(4) load:将read读取的值保存到工作内存中的变量副本中。

(5) use:将值传递给线程的代码执行引擎

(6) assign:将执行引擎处理返回的值重新赋值给变量副本

(7) store:将变量副本的值存储到主内存中。

(8) write:将store存储的值写入到主内存的共享变量当中。

从主存复制变量到当前工作内存（read and load）
执行代码，改变共享变量值（use and assign）
用工作内存数据刷新主存相关内容（store and write）

指令规则

read 和 load、store和write必须成对出现
assign操作，工作内存变量改变后必须刷回主内存
同一时间只能运行一个线程对变量进行lock，当前线程lock可重入，unlock次数必须等于lock的次数，该变量才能解锁。
对一个变量lock后，会清空该线程工作内存变量的值，重新执行load或者assign操作初始化工作内存中变量的值。
unlock前，必须将变量同步到主内存（store/write操作）

除了这 8 种同步操作之外，还规定了下面这些同步规则来保证这些同步操作的正确执行（了解即可，无需死记硬背）：
（1）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。
（2）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。
（3）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。
（4）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。
（5）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。
（6）......

五、JVM 内存结构（Java内存区域）和 JMM（Java 内存模型）有何区别？

JVM 内存结构和内存模型是完全不一样的两个东西：

（1）JVM 内存结构和 Java 虚拟机的运行时区域相关，定义了 JVM 在运行时如何分区存储程序数据，就比如说堆主要用于存放对象实例。

（2）Java 内存模型和 Java 的并发编程相关，抽象了线程和主内存之间的关系就比如说线程之间的共享变量必须存储在主内存中，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。

六、happens-before 原则

（1）为了对编译器和处理器的约束尽可能少，只要不改变程序的执行结果（单线程程序和正确执行的多线程程序），编译器和处理器怎么进行重排序优化都行。

（2）对于会改变程序执行结果的重排序，JMM 要求编译器和处理器必须禁止这种重排序。

七、JSR-133 对 happens-before 原则的定义

从 JDK5 开始，java 使用新的 JSR -133 内存模型。

（1）如果一个操作happens-before另一个操作，那么第一个操作的执行结果将对第二个操作可见，并且第一个操作的执行顺序排在第二个操作之前。

（2）两个操作之间存在happens-before关系，并不意味着Java平台的具体实现必须要按照happens-before关系指定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果，与按 happens-before 关系来执行的结果一致，那么 JMM 也允许这样的重排序。

八、happens-before 常见规则有哪些？谈谈你的理解？

happens-before 的规则就 8 条，说多不多，重点了解下面列举的5条即可。全记是不可能的，很快就忘记了，意义不大，随时查阅即可。

（1）程序顺序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作 happens-before 于书写在后面的操作；

（2）解锁规则：解锁 happens-before 于加锁；

（3）volatile 变量规则：对一个 volatile 变量的写操作 happens-before 于后面对这个 volatile 变量的读操作。说白了就是对 volatile 变量的写操作的结果对于发生于其后的任何操作都是可见的。

（4）传递规则：如果 A happens-before B，且 B happens-before C，那么 A happens-before C；

（5）线程启动规则：Thread 对象的 start()方法 happens-before 于此线程的每一个动作。如果两个操作不满足上述任意一个 happens-before 规则，那么这两个操作就没有顺序的保障，JVM 可以对这两个操作进行重排序。

happens-before 与 JMM 的关系如下图所示：

九、并发编程三个重要特性

原子性

一次操作或者多次操作，要么所有的操作全部都得到执行并且不会受到任何因素的干扰而中断，要么都不执行。在 Java 中，可以借助synchronized 、各种 Lock 以及各种原子类实现原子性。 synchronized 和各种 Lock 可以保证任一时刻只有一个线程访问该代码块，因此可以保障原子性。各种原子类是利用 CAS (compare and swap) 操作（可能也会用到 volatile或者final关键字）来保证原子操作。

可见性

当一个线程对共享变量进行了修改，那么另外的线程都是立即可以看到修改后的最新值。在 Java 中，可以借助synchronized、volatile以及各种Lock实现可见性。如果我们将变量声明为volatile，这就指示JVM，这个变量是共享且不稳定的，每次使用它都到主存中进行读取。

有序性

由于指令重排序问题，代码的执行顺序未必就是编写代码时候的顺序。我们上面讲重排序的时候也提到过：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。在 Java 中，volatile 关键字可以禁止指令进行重排序优化。

七、JMM