一、前言
其实，本篇应该在《小白五：volatile》之前讲的，那么大家就更容易理解 volatile 了。
Java之所有流行，是因为 Java程序能够跨平台运行，而最核心的就是 JVM（Java Virtual Machine）了。
那么我想问一句：JVM的核心又是什么？
JVM 为程序提供了系统无关的统一的API，同时，也管理着每个程序的内存分配与回收，本篇，我们将深入学习JVM的内存模型：JMM。
JMM 即 Java内存模型，它屏蔽了不同操作系统和不同硬件厂商，提供了统一的内存管理。
JMM 在JDK1.5之前表现并不好，从 JDK1.5开始，JSR-133发布后，新的JMM模型一直用到了现在！
JMM 非常得要，只有熟悉了 JMM 后才能良好的、正确的开发出并行程序，它定义了不同线程对于一个共享变量的读写是如何可见的，以及需要时如何同步访问共享变量。
二、并发编程的关键问题
2.1、线程通信
这是一个老生常谈的话题了，线程通信一般有两种：
- 内存共享
- 消息传递
- 在共享内存的并发模型中，线程间通过读/写共享对象进行隐式通信；
- 在消息传递的并发模型中，线程间通过发送消息来显示的进行通信，例如：wait / notify；
2.2、线程间同步
同步指程序用于控制不同线程间操作发生的相对顺序的机制。
在共享内存的并发模型中，同步是显式的，必需显示指定某个方法或某段代码块需要在线程间互斥执行；
在消息传递的头型模型中，消息的发送必需要消息接收之前，因此同步是隐式的；
三、JMM内存划分
如下图所示，JMM规定了内存主要分为主内存（物理内存）和线程工作内存（缓存、寄存器、高速缓冲区、以及硬件和编译器优化后的一个数据存放位置）
JMM.png
JMM 规定了所有变量都存储在主内存中！每个线程还有自己的工作内存（即本地内存），工作内存中存储着共享变量的主内存副本。
主内存对应的是 Java 堆中的对象实例域、静态域和数组元素，因此，堆（Heap）内存在线程间共享。
局部变量、方法参数和异常处理器参数则不会在线程间共享，也不受JMM影响，因此是内存不可见的，我们也称为线程栈（方法调用会入栈，方法的变量也在栈上，方法退出时则弹栈）。
从中，我们也能够看出，JMM并不真实存在，它只定义了线程与主存之间的抽象关系。
3.1、从JVM角度来理解JMM（内部JMM）
java-memory-model-1.png
我们从中看出，在JVM内，JMM分成了两部分：Thread Stack 和 Heap。这也印证了我们上面所说的，Heap在线程间共享，而栈则线程独有。为何叫 Thread Stack 我也在上一小节说了，调用方法即入栈。即便两个线程运行同样的代码，它们也分别各自创建自己的栈，入栈 -> 创建本地变量 -> 出栈。
所有的基本类型的本地变量都完全存储在线程栈中，因此对其它线程是完全不可见的。
线程可以将基本类型的变量副本传给另一个线程，但却无法共享基本类型变量给另一个线程！
java-memory-model-2.png
上图是更为详细的 JMM 在 JVM 中。
本地变量：
- 如果是基本类型变量，百分百存储在线程栈上，且对其它不可见；
- 如果是引用对象变量，则该变量存储在线程栈上，但被引用的对象自身存储在堆上；
- 对象可能含有方法，这些方法又可能含有本地变量，这些变量同样存储在线程栈上，即使该对象自身存于堆中。
对象的成员变量存于堆上，即便成员变量是基本类型，或者是一个引用对象类型；
静态类变量也是存在堆上的；
所有线程都能访问堆上的对象，当一个线程访问一个对象，它也能访问对象的成员变量。如果两个线程同时调用同一个对象的同一个方法，它们会将同时访问对象的成员变量，但每个线程访问的实际上是对象的成员变量的副本（拷背）。
java-memory-model-3.png
上图中，两个线程的『methodOne』的『Local variable 2』都引用堆中的同一个『Object 3』，同时注意，『Object 3』又将『Object 2』和『Objecet 4』作为其成员变量而引用，因此，两个线程都能通过『Object 3』来访问其成员变量『Object 2』和『Object 4』。
上图中，还显示了一点：『methodTwo』的『Local variable 1』在运行时，引用了不同的对象，分别是『Object 1』和『Object 5』，理论上，两个线程都能访问『Object 1』和『Object 5』，但上图中却显示了不同的情况，那 Java 代码是如何实现使得其在内存中的不一致呢？
// 线程
public class MyRunnable implements Runnable() {
public void run() {
methodOne();
}
public void methodOne() {
// 基本类型变量，只会在线程栈上，因为不是对象，不会在堆上分配内存
int localVariable1 = 45;
MySharedObject localVariable2 = MySharedObject.sharedInstance;
//... do more with local variables.
methodTwo();
}
public void methodTwo() {
Integer localVariable1 = new Integer(99);
//... do more with local variable.
}
}
public class MySharedObject {
//static variable pointing to instance of MySharedObject
public static final MySharedObject sharedInstance = new MySharedObject();
//member variables pointing to two objects on the heap
// 包装对象
public Integer object2 = new Integer(22);
public Integer object4 = new Integer(44);
// 基本类型变量
public long member1 = 12345;
public long member2 = 67890;
}
上述代码中，展示了同一个线程：
- 在执行『methodOne』时，共同引用了『MySharedObject』即『Object 3』，同时还引用到了『Object 2』和『Object 4』；
- 在执行『methodTwo』时，临时创建了一个对象（基本类型的包装对象），每次运行到这里都是新对象，在堆上分配内存，而实例则在栈上；
3.2、硬件内存架构（HMA：Hardware Memory Architecture）
现代HMA多少有些不同于JMM，但对于理解JMM也是非常重要的。
hma.png
现在计算机有2个甚至更多个CPU，有些CPU还有多核。因此，每个线程都能同时运行在一个CPU或一个CPU的核上。如果我们的程序是多线程的，则很有可能被多个CPU或多个核同时运行（即 Concurently，并发）。
在上图中，我们还看到了：
- CPU自带寄存器，CPU在寄存器中操作变量比主存要快的多；
- CPU还自带有缓冲区，不同的CPU含有的缓冲区大小，个数都不一样，但同样比主存要快很多，但肯定比寄存器要慢；
学过计算机组成原理的都知道（非命中时会有下面1、2、3）：
- CPU先访问寄存器，如果没有则；
- 访问缓冲区（L1、L2、L3....常说的二级、三级，多级缓冲区），如果没有则；
- 访问物理内存，即主存，如果没有则；
- 访问外设，如：磁盘、IO设备等，再没有就报错；
我们暂且不考虑第4条，当在主存时命中，则该数据会一级一级的拷背过去，直到CPU寄存器。
以上操作是读，如果是写操作，则CPU会将寄存器的数据一级一级的刷新过去，即寄存器 -> 缓存 -> 主存。
3.3、JMM 与 HMA 的关系
HMA 并不区分堆和栈，先来看看两者的关系：
jmm-hma.png
当对象和变量能存储于不同的存储区时，可能会有两个主要的问题发生：
线程写共享对象时的可见性问题；
竞争问题：共享对象的读、写、检查同时发生时；
3.4、共享对象的可见性
如果多个线程共享一个对象，没有使用 volatile 或 synchronized，当一个线程更新共享对象时，另一个线程并不知道（不可见）。我们先不考虑前面说的线程工作内存，或者说，我们现在来阐明为何会存在线程工作内存。多核或多CPU中，两个线程分别运行在不同CPU上，其中一个线程读取了主存中的共享对象到了CPU的缓存或寄存器中，当这个线程修改了缓存或寄存器中的数据，且还未来的及同步/刷新主存中的共享对象时，另一个线程读取主存中该共享对象，此时就发生了数据不同步的问题。因此，所谓不可见，其实是因为多CPU或多核各自有自己的存储硬件（独立的存储区），使得CPU相互间无法访问，这才导致共享对象的不可见。
visibility.png
上图就很好的阐明了共享对象读/写不可见原理。为了解决这个问题，最简单的办法就是用 volatile （单操作是原子性的）。
3.5、条件竞争
同样，如果多个线程都同时要修改共享变量（工作内存修改后，回写到主存中），这时问题就产生了。试想一下：两个线程，需要对一个共享对象的基本类型成员变量分别 + 1，期望最终结果是 + 2，但结果很有可能只是 + 1。
race-condition.png
为了解决要求顺序执行的操作，我们可以使用 synchronized 来加锁解决。
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