Java虚拟机规范中,需要定义一种Java内存模型,来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下,都能达到一致的内存访问效果。这个模型必须定义得足够严谨，才能让Java的并发内存访问操作不会产生歧义；但是，也必须定义得足够宽松，使得虚拟机的实现有足够的自由空间去利用硬件的各种特性来获得更好的执行速度。
Java内存模型的主要目标是定义程序中各个变量的访问规则，即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样的底层细节。为了获得较好的执行效能，Java内存模型并没有限制执行引擎使用处理机的特定寄存器或缓存来和主内存进行交互，也没有限制即使编译器进行调整代码执行顺序这类优化措施。
Java内存模型与交互关系
Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中。每条线程都有自己的工作内存，线程的工作内存中保存了被线程使用到的变量的主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成。
内存间交互操作
关于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、如果从工作内存同步回主内存之类的实现细节，Java内存模型中定义了以下8种操作来完成，虚拟机实现时必须保证下面每一种操作都是原子的、不可再分的。
- 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。
- 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它线程锁定。
- 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。
- 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。
- 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到变量的值的字节码指令时会将执行这个操作。
- 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。
- 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。
- 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。
内存交互动作
如果要把一个变量从主内存复制到工作内存，那就要顺序地执行read和load操作，如果要把变量从工作内存同步回主内存，就要顺序地执行store和write操作。Java内存模型只要求上述两个操作必须按顺序执行，而没有保证是连续执行。也就是说，read和load之间、store和write之间是可插入其它指令的。除此之外，Java内存模型还规定了在执行上上述8中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，或者从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的最近的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和assign）的变量，换句话说，就是对一个变量实施use、store操作之前，必须先执行过了assign和load操作。
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一个变量在同一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，变量才能被解锁。
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如果对一个变量进行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一个被其它线程锁定住的变量。
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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）。
8种内存访问操作加上上述规则限定，以及一个特殊的volatile规定，就已经完全确定了Java程序中哪些内存访问操作在并发下是安全的。
volatile的规则
关键词volatile可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制，Java内存模型对volatile专门定义了一些特殊的访问规则。
当一个变量定义为volatile之后，它将具备两种特性：
- 保证此变量对所有线程的可见性。
这里的“可见性”是指当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其它线程来说是可以立即得知的。而普通变量不能做到这一点，普通变量的值在线程间传递均需要通过主内存来完成。volatile变量在各个线程的工作内存中不存在一致性问题，但是Java里面的运算并非原子操作，导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的。
- 禁止指令重排序优化
普通的变量仅仅会保证在该方法的执行过程中，所有依赖赋值结果的地方都能获得到正确的结果，而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。
long和double的特殊性
Java内存模型要求lock、unlock、read、load、assign、use、store、write这8个操作都具有原子性，但是对于64位的数据类型（long和double），在模型中特别定义了一条相对宽松的规定：允许虚拟机将没有被volatile修饰的64位数据的读写操作划分为两次32位的操作来进行，即允许虚拟机实现选择可以不保证64位数据类型的load、store、read和write这4个操作的原子性，这就是所谓的long和double的非原子协定。
Java内存模型是围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这3个特征来建立的。
原子性
Java内存模型直接保证的原子性变量操作包括read、load、assign、use、store和write，还提供了lock和unlock来满足更大范围的原子性操作。虚拟机未把lock和unlock直接开放给用户使用，而是提供了字节码指令monitorenter和monitorexit来隐式地使用这两个操作，反映到java代码就是synchronized关键字。
可见性
可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其它线程能够立即得知这个修改。Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存作为传递媒介的方式来实现可见性的。
普通变量和volatile都是如此，只是volatile的特性保证了新值能立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新。volatile保证了多线程操作时变量的可见性，而普通变量则不能保证这一点。
Java还有两个关键字能实现可见性：synchronized和final。同步块的可见性是由“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”这条规则获得的；而final关键词的可见性是指：被final修饰的字段在构造器中一旦初始化完成，并且构造器没有把“this”的引用传递出去，那在其他线程中就能看见final字段的值。
有序性
Java程序中天然的有序性可以总结为一句话：如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程，所有的操作都是无序的。
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齐进行lock操作”这条规则获得的，这条规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。
先行发生原则
下面是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的话，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。
程序次序规则（Program Order Rule）：在一个线程内，按照程序代码顺序，书写在前面的操作先行发生与书写在后面的操作。准确地说，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。
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。
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。
线程启动规则（Thread Start Rule）：Thread对象的start()方法先行发生与此线程的每一个动作。
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()方法结束、Thread.isAlive()的返回值等手段检测到线程已经终止执行。
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.isAlive()方法检测到是否有中断发生。
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。
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。
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