Java內(nèi)存模型（Java Memory Model ,JMM）就是一種符合內(nèi)存模型規(guī)范的，屏蔽了各種硬件和操作系統(tǒng)的訪問差異的，保證了Java程序在各種平臺下對內(nèi)存的訪問都能保證效果一致的機制及規(guī)范。

Java 內(nèi)存模型的主要目標是定義程序中各個變量的訪問規(guī)則，也就是在虛擬機中將變量存儲到內(nèi)存以及從內(nèi)存中取出變量（這里的變量，指的是共享變量，也就是實例對象、靜態(tài)字段、數(shù)組對象等存儲在堆內(nèi)存中的變量。而對于局部變量這類的，屬于線程私有，不會被共享）這類的底層細節(jié)。通過這些規(guī)則來規(guī)范對內(nèi)存的讀寫操作，從而保證指令執(zhí)行的正確性。

它與處理器有關(guān)、與緩存有關(guān)、與并發(fā)有關(guān)、與編譯器也有關(guān)。他解決了 CPU多級緩存、處理器優(yōu)化、指令重排等導(dǎo)致的內(nèi)存訪問問題，保證了并發(fā)場景下的可見性、原子性和有序性。內(nèi)存模型解決并發(fā)問題主要采用兩種方式：限制處理器優(yōu)化和使用內(nèi)存屏障 。

Java內(nèi)存模型規(guī)定了所有的變量都存儲在主內(nèi)存中，每條線程還有自己的工作內(nèi)存，線程的工作內(nèi)存中保存了該線程中是用到的變量的主內(nèi)存副本拷貝，線程對變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進行，而不能直接讀寫主內(nèi)存。不同的線程之間也無法直接訪問對方工作內(nèi)存中的變量，線程間變量的傳遞均需要自己的工作內(nèi)存和主存之間進行數(shù)據(jù)同步進行。而JMM就作用于工作內(nèi)存和主存之間數(shù)據(jù)同步過程。他規(guī)定了如何做數(shù)據(jù)同步以及什么時候做數(shù)據(jù)同步。

我們知道CPU的處理速度和主存的讀寫速度不是一個量級的，為了平衡這種巨大的差距，每個CPU都會有緩存。因此，共享變量會先放在主存中，每個線程都有屬于自己的工作內(nèi)存，并且會把位于主存中的共享變量拷貝到自己的工作內(nèi)存，之后的讀寫操作均使用位于工作內(nèi)存的變量副本，并在某個時刻將工作內(nèi)存的變量副本寫回到主存中去。JMM就從抽象層次定義了這種方式，并且JMM決定了一個線程對共享變量的寫入何時對其他線程是可見的。

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如圖為JMM抽象示意圖，線程A和線程B之間要完成通信的話，要經(jīng)歷如下兩步：

線程A從主內(nèi)存中將共享變量讀入線程A的工作內(nèi)存后并進行操作，之后將數(shù)據(jù)重新寫回到主內(nèi)存中

線程B從主存中讀取最新的共享變量

從橫向去看看，線程A和線程B就好像通過共享變量在進行隱式通信。這其中有很有意思的問題，如果線程A更新后數(shù)據(jù)并沒有及時寫回到主存，而此時線程B讀到的是過期的數(shù)據(jù)，這就出現(xiàn)了“臟讀”現(xiàn)象?？梢酝ㄟ^同步機制（控制不同線程間操作發(fā)生的相對順序）來解決或者通過volatile關(guān)鍵字使得每次volatile變量都能夠強制刷新到主存，從而對每個線程都是可見的。

Java 內(nèi)存模型定義了線程和內(nèi)存的交互方式，在 JMM 抽象模型中，分為主內(nèi)存、工作內(nèi)存。主內(nèi)存是所有線程共享的，工作內(nèi)存是每個線程獨有的。線程對變量的所有操作（讀取、賦值）都必須在工作內(nèi)存中進行，不能直接讀寫主內(nèi)存中的變量。并且不同的線程之間無法訪問對方工作內(nèi)存中的變量，線程間的變量值的傳遞都需要通過主內(nèi)存來完成，他們?nèi)叩慕换リP(guān)系如下 :

在進行工作內(nèi)存間數(shù)據(jù)的同步時，會存在以上八種原子操作指令來保證。

總結(jié)下，JMM是一種規(guī)范，目的是解決由于多線程通過共享內(nèi)存進行通信時，存在的本地內(nèi)存數(shù)據(jù)不一致、編譯器會對代碼指令重排序、處理器會對代碼亂序執(zhí)行等帶來的問題。目的是保證并發(fā)編程場景中的原子性、可見性和有序性。

在Java中提供了一系列和并發(fā)處理相關(guān)的關(guān)鍵字，比如volatile、Synchronized、final、juc等，這些就是Java內(nèi)存模型封裝了底層的實現(xiàn)后提供給開發(fā)人員使用的關(guān)鍵字，在開發(fā)多線程代碼的時候，我們可以直接使用synchronized等關(guān)鍵詞來控制并發(fā)，使得我們不需要關(guān)心底層的編譯器優(yōu)化、緩存一致性的問題了，所以在Java內(nèi)存模型中，除了定義了一套規(guī)范，還提供了開放的指令在底層進行封裝后，提供給開發(fā)人員使用。

如何保證原子性

在Java中，為了保證原子性，提供了兩個高級的字節(jié)碼指令monitorenter和monitorexit。這兩個字節(jié)碼，在Java中對應(yīng)的關(guān)鍵字就是synchronized。因此，在Java中可以使用synchronized來保證方法和代碼塊內(nèi)的操作是原子性的。

如何保證可見性

Java中的volatile關(guān)鍵字提供了一個功能，那就是被其修飾的變量在被修改后可以立即同步到主內(nèi)存，被其修飾的變量在每次是用之前都從主內(nèi)存刷新。因此，可以使用volatile來保證多線程操作時變量的可見性。除了volatile，Java中的synchronized和final兩個關(guān)鍵字也可以實現(xiàn)可見性。

有序性

可以使用synchronized和volatile來保證多線程之間操作的有序性。實現(xiàn)方式有所區(qū)別：volatile關(guān)鍵字會禁止指令重排。synchronized關(guān)鍵字保證同一時刻只允許一條線程操作。

as-if-serial語義

as-if-serial語義的意思是：不管怎么重排序（編譯器和處理器為了提供并行度），（單線程）程序的執(zhí)行結(jié)果不能被改變。編譯器，runtime和處理器都必須遵守as-if-serial語義。as-if-serial語義把單線程程序保護了起來，遵守as-if-serial語義的編譯器，runtime和處理器共同為編寫單線程程序的程序員創(chuàng)建了一個幻覺：單線程程序是按程序的順序來執(zhí)行的。比如上面計算圓面積的代碼，在單線程中，會讓人感覺代碼是一行一行順序執(zhí)行上，實際上A,B兩行不存在數(shù)據(jù)依賴性可能會進行重排序，即A，B不是順序執(zhí)行的。as-if-serial語義使程序員不必擔心單線程中重排序的問題干擾他們，也無需擔心內(nèi)存可見性問題。

happens-before定義

happens-before的概念最初由Leslie Lamport在其一篇影響深遠的論文（《Time，Clocks and the Ordering of Events in a Distributed System》）中提出，有興趣的可以google一下。JSR-133使用happens-before的概念來指定兩個操作之間的執(zhí)行順序。由于這兩個操作可以在一個線程之內(nèi)，也可以是在不同線程之間。因此，JMM可以通過happens-before關(guān)系向程序員提供跨線程的內(nèi)存可見性保證（如果A線程的寫操作a與B線程的讀操作b之間存在happens-before關(guān)系，盡管a操作和b操作在不同的線程中執(zhí)行，但JMM向程序員保證a操作將對b操作可見）。具體的定義為：

1）如果一個操作happens-before另一個操作，那么第一個操作的執(zhí)行結(jié)果將對第二個操作可見，而且第一個操作的執(zhí)行順序排在第二個操作之前。

2）兩個操作之間存在happens-before關(guān)系，并不意味著Java平臺的具體實現(xiàn)必須要按照happens-before關(guān)系指定的順序來執(zhí)行。如果重排序之后的執(zhí)行結(jié)果，與按happens-before關(guān)系來執(zhí)行的結(jié)果一致，那么這種重排序并不非法（也就是說，JMM允許這種重排序）。

上面的1）是JMM對程序員的承諾。從程序員的角度來說，可以這樣理解happens-before關(guān)系：如果A happens-before B，那么Java內(nèi)存模型將向程序員保證——A操作的結(jié)果將對B可見，且A的執(zhí)行順序排在B之前。注意，這只是Java內(nèi)存模型向程序員做出的保證！

上面的2）是JMM對編譯器和處理器重排序的約束原則。正如前面所言，JMM其實是在遵循一個基本原則：只要不改變程序的執(zhí)行結(jié)果（指的是單線程程序和正確同步的多線程程序），編譯器和處理器怎么優(yōu)化都行。JMM這么做的原因是：程序員對于這兩個操作是否真的被重排序并不關(guān)心，程序員關(guān)心的是程序執(zhí)行時的語義不能被改變（即執(zhí)行結(jié)果不能被改變）。因此，happens-before關(guān)系本質(zhì)上和as-if-serial語義是一回事。

比較:
as-if-serial VS happens-before

as-if-serial語義保證單線程內(nèi)程序的執(zhí)行結(jié)果不被改變，happens-before關(guān)系保證正確同步的多線程程序的執(zhí)行結(jié)果不被改變。

as-if-serial語義給編寫單線程程序的程序員創(chuàng)造了一個幻境：單線程程序是按程序的順序來執(zhí)行的。happens-before關(guān)系給編寫正確同步的多線程程序的程序員創(chuàng)造了一個幻境：正確同步的多線程程序是按happens-before指定的順序來執(zhí)行的。

as-if-serial語義和happens-before這么做的目的，都是為了在不改變程序執(zhí)行結(jié)果的前提下，盡可能地提高程序執(zhí)行的并行度。

具體規(guī)則
具體的一共有六項規(guī)則：

程序順序規(guī)則：一個線程中的每個操作，happens-before于該線程中的任意后續(xù)操作。

監(jiān)視器鎖規(guī)則：對一個鎖的解鎖，happens-before于隨后對這個鎖的加鎖。

volatile變量規(guī)則：對一個volatile域的寫，happens-before于任意后續(xù)對這個volatile域的讀。

傳遞性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。

start()規(guī)則：如果線程A執(zhí)行操作ThreadB.start()（啟動線程B），那么A線程的ThreadB.start()操作happens-before于線程B中的任意操作。

join()規(guī)則：如果線程A執(zhí)行操作ThreadB.join()并成功返回，那么線程B中的任意操作happens-before于線程A從ThreadB.join()操作成功返回。

程序中斷規(guī)則：對線程interrupted()方法的調(diào)用先行于被中斷線程的代碼檢測到中斷時間的發(fā)生。

對象finalize規(guī)則：一個對象的初始化完成（構(gòu)造函數(shù)執(zhí)行結(jié)束）先行于發(fā)生它的finalize()方法的開始。

下面以一個具體的例子來講下如何使用這些規(guī)則進行推論：
double pi = 3.14 //A
double r = 1.0 //B
double area = pi * r * r //C
依舊以上面計算圓面積的進行描述。利用程序順序規(guī)則（規(guī)則1）存在三個happens-before關(guān)系：

1. A happens-before B；2. B happens-before C;3. A happens-before C。

這里的第三個關(guān)系是利用傳遞性進行推論的。A happens-before B,定義1要求A執(zhí)行結(jié)果對B可見，并且A操作的執(zhí)行順序在B操作之前，但與此同時利用定義中的第二條，A,B操作彼此不存在數(shù)據(jù)依賴性，兩個操作的執(zhí)行順序?qū)ψ罱K結(jié)果都不會產(chǎn)生影響，在不改變最終結(jié)果的前提下，允許A，B兩個操作重排序，即happens-before關(guān)系并不代表了最終的執(zhí)行順序。

總結(jié)
上面已經(jīng)聊了關(guān)于JMM的兩個方面：1. JMM的抽象結(jié)構(gòu)（主內(nèi)存和線程工作內(nèi)存）；2. 重排序以及happens-before規(guī)則。接下來，我們來做一個總結(jié)。從兩個方面進行考慮。1. 如果讓我們設(shè)計JMM應(yīng)該從哪些方面考慮，也就是說JMM承擔哪些功能；2. happens-before與JMM的關(guān)系；3. 由于JMM，多線程情況下可能會出現(xiàn)哪些問題？

JMM的設(shè)計

JMM是語言級的內(nèi)存模型，在我的理解中JMM處于中間層，包含了兩個方面：
（1）內(nèi)存模型；
（2）重排序以及happens-before規(guī)則。同時，為了禁止特定類型的重排序會對編譯器和處理器指令序列加以控制。而上層會有基于JMM的關(guān)鍵字和J.U.C包下的一些具體類用來方便程序員能夠迅速高效率的進行并發(fā)編程。站在JMM設(shè)計者的角度，在設(shè)計JMM時需要考慮兩個關(guān)鍵因素:

程序員對內(nèi)存模型的使用,程序員希望內(nèi)存模型易于理解、易于編程。程序員希望基于一個強內(nèi)存模型來編寫代碼。

編譯器和處理器對內(nèi)存模型的實現(xiàn),編譯器和處理器希望內(nèi)存模型對它們的束縛越少越好，這樣它們就可以做盡可能多的優(yōu)化來提高性能。編譯器和處理器希望實現(xiàn)一個弱內(nèi)存模型。

另外還要一個特別有意思的事情就是關(guān)于重排序問題，更簡單的說，重排序可以分為兩類：

會改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序。
不會改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序。

JMM對這兩種不同性質(zhì)的重排序，采取了不同的策略，如下。

對于會改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序，JMM要求編譯器和處理器必須禁止這種重排序。
對于不會改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序，JMM對編譯器和處理器不做要求（JMM允許這種
重排序）

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從圖可以看出：

JMM向程序員提供的happens-before規(guī)則能滿足程序員的需求。JMM的happens-before規(guī)則不但簡單易懂，而且也向程序員提供了足夠強的內(nèi)存可見性保證（有些內(nèi)存可見性保證其實并不一定真實存在，比如上面的A happens-before B）。

JMM對編譯器和處理器的束縛已經(jīng)盡可能少。從上面的分析可以看出，JMM其實是在遵循一個基本原則：只要不改變程序的執(zhí)行結(jié)果（指的是單線程程序和正確同步的多線程程序），編譯器和處理器怎么優(yōu)化都行。例如，如果編譯器經(jīng)過細致的分析后，認定一個鎖只會被單個線程訪問，那么這個鎖可以被消除。再如，如果編譯器經(jīng)過細致的分析后，認定一個volatile變量只會被單個線程訪問，那么編譯器可以把這個volatile變量當作一個普通變量來對待。這些優(yōu)化既不會改變程序的執(zhí)行結(jié)果，又能提高程序的執(zhí)行效率。

happens-before與JMM的關(guān)系

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一個happens-before規(guī)則對應(yīng)于一個或多個編譯器和處理器重排序規(guī)則。對于Java程序員來說，happens-before規(guī)則簡單易懂，它避免Java程序員為了理解JMM提供的內(nèi)存可見性保證而去學習復(fù)雜的重排序規(guī)則以及這些規(guī)則的具體實現(xiàn)方法

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總結(jié)得很好，受益良多。