Java虚拟机规范试图定义一种Java内存模型（Java Memory Model， JMM）来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现Java程序在各种平台下都能达到一种的内存访问效果。
Java内存模型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。此处的变量与Java编程中所说的变量不同，它包括了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，但不包括局部变量与方法参数，因为后者是线程私有的，不会被共享，不存在竞争问题。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器的特定寄存器或缓存来和主内存进行交互，也没有限制即时编译期进行调整代码执行顺序这类优化措施。
Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存（Main Memory）中（此处的主内存与物理硬件的主内存名字一样，两者可以类比，但此仇仅是虚拟机内存的一部分）。每条线程还有自己的工作内存（Working Memory，与处理器高速缓存类似），线程的工作内存中保存了该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（读取、赋值等）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。

线程、主内存和工作内存交互关系

内存间交互操作

• lock（锁定）：作用于主内存的变量，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，把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放之后的变量才可以被其他线程锁定
• read（读取）：作用于主内存的变量，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都做使用
• load（载入）：作用于工作内存的变量，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）：作用不工作内存的变量，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给变量赋值的字节码指令时执行这个操作
• assign（赋值）：作用于工作内存的变量，把一个从执行引擎收到的值赋值给工作内存的变量，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wirte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值放入主内存的变量中。
  如果要把一个变量从主内存复制到工作内存，那就要顺序执行read和load操作，如果要把变量从工作内存同步到主内存，就要顺序执行store和write操作。注意，Java内存模型只要求上述两个操作顺序执行，而没有保证是连续执行。除此之外，Java内存模型还规定了在执行上述8种基本操作时必须满足如下规则：
• 不允许read和load、store和wirte操作之一单独出现
• 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之后必须把该变化同步回主内存
• 不允许一个线程无原因地把数据从线程的工作内存同步回主内存
• 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、store操作之前，必须先执行了assign和load操作
• 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，变量才会解锁
• 如果对一个变量执行lock操作，那将会情况工作站内存中此变量的值，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
• 如果一个变量事先没有lock操作锁定，那就不允许对它进行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量
• 对一个变量执行unlock操作之前，必须先把变量同步到主内存中（执行store、write操作）
  这8种内存访问操作及上述限制，再加上volatile的一些特殊规定，就完全确定了Java程序中哪些内存访问操作在并发下是安全的。

volatile型变量的特殊规则

关键字volatile是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制。当一个变量被volatile修饰之后，它将具备两种特性：第一保证次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，新值对其他线程来说是可以立即得知的。
由于volatile变量只能保证可见性，在不符合以下两条规则的运算场景中，仍然要通过加锁来保证原子性：

• 运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一线程修改变量的值
• 变量不需要与其他状态变量共同参与不变约束
  使用volatile变量的第二个语义是禁止指令重排序优化，普通变量仅仅会保证在改方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获得正确的结果，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。

原子性、可见性和有序性

原子性（Atomicity）：整个程序中的所有操作，要么全部完成，要么全部不完成，不可能停滞在中间某个环节。由Java内存模型直接保证原子性变量操作包括read、load、assign、use、store和write。Java虚拟机提供了monitorenter和monitorexit字节码指令来实现原子操作，反应到Java代码就是synchronize关键字。
可见性（Visibility）：是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即得知这个修改。除了volatile之外，Java还有两个关键字能够实现可见性，即synchronize和final。
有序性（Ordering）：如果在本线程内观察，所有操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程，所有操作都是无序的。
Java语言提供了volatile和synchronize两个关键字来保证线程的有序性。

先行发生原则

先行发生是Java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系，如果说操作A先行发生于操作B，其实就是说在发生操作B之前，操作A产生的影响能被B观察到，“影响”包括修改了内存中共享变量的值、发生了消息、调用了方法等。
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，它们就没有顺序保障，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，书写前面的操作先行发生于书写后面的操作，准确地说， 应该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，这里的“后面”是指时间上的先后顺序
• volatile变量规则（Volatile Variable Rule）：对一个volatile变量的写操作先行发生于后边对这个变量的读操作，这里的“后面”是指时间上的先后顺序
• 线程启动规则（Thread Start Rule）：Thread对象的start（）方法先行发生于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都此线程的终止检测，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()方法的调用优先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.interrupted()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A先行发生于操作C。

参考资料

• 深入理解Java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践 第2版