1、概述

Java 内存模型用来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存差异，达到跨平台的内存访问效果。

2、主内存和工作内存

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中，此处的主内存仅仅是虚拟机内存的一部分，而虚拟机内存也仅仅是计算机物理内存的一部分（为虚拟机进程分配的那一部分）。

Java内存模型分为主内存，和工作内存。主内存是所有的线程所共享的，工作内存是每个线程自己有一个，不是共享的。

每条线程还有自己的工作内存，线程的工作内存中保存了被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），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、工作内存三者之间的交互关系如下图：

image.png

3、Java内存交互

JLS定义了线程对主存的操作指令：lock，unlock，read，load，use，assign，store，write。这些行为是不可分解的原子操作，在使用上相互依赖，read-load从主内存复制变量到当前工作内存，use-assign执行代码改变共享变量值，store-write用工作内存数据刷新主存相关内容。

• lock(锁定)：作用于主内存中的变量，把一个变量标识为一条线程独占的状态。
• read（读取）：作用于主内存变量，把一个变量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，把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
• 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，把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write的操作。
• write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中一个变量的值传送到主内存的变量中。
• unlock(解锁)：作用于主内存中的变量，把一个处于锁定状态的变量释放出来，之后可被其它线程锁定。

在将变量从主内存读取到工作内存中，必须顺序执行read、load；
要将变量从工作内存同步回主内存中，必须顺序执行store、write。

8种操作必须遵循以下规则：

1：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被读取了，但是工作内存不接受，或者从工作内存回写了但是主内存不接受。
2：不允许一个线程丢弃它最近的一个assign操作，即变量在工作内存被更改后必须同步改更改回主内存。
3：工作内存中的变量在没有执行过assign操作时，不允许无意义的同步回主内存。
4：在执行use前必须已执行load，在执行store前必须已执行assign。
5：一个变量在同一时刻只允许一个线程对其执行lock操作，一个线程可以对同一个变量执行多次lock，但必须执行相同次数的unlock操作才可解锁。
6：一个线程在lock一个变量的时候，将会清空工作内存中的此变量的值，执行引擎在use前必须重新read和load。
7：线程不允许unlock其他线程的lock操作。并且unlock操作必须是在本线程的lock操作之后。

8：在执行unlock之前，必须首先执行了store和write操作。

3、原子性、可见性、有序性

1.原子性

即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。

int a = 10; //1
a++; //2
int b=a; //3
a = a+1; //4

上面这四个语句中只有第1个语句是原子操作，将10赋值给线程工作内存的变量a,而语句2（a++），实际上包含了三个操作：1. 读取变量a的值；2：对a进行加一的操作；3.将计算后的值再赋值给变量a，而这三个操作无法构成原子操作。对语句3,4的分析同理可得这两条语句不具备原子性。

2.可见性

可见性是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。

3.有序性

在Java内存模型中，允许编译器和处理器对指令进行重排序，但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。

int a = 1;  //1
int b = 2;  //2

这两行代码无论先执行第1行还是第2行都对执行结果不会有影响，编译器可能会对它们进行重排序，可能先执行第二行在执行第1行。

public class NoVisibility{
    private static boolean ready;
    private static int number;

    private static class Reader extends Thread{
        public void run(){
        while(!ready){
            Thread.yield();
        }
        System.out.println(number);
    }
}
    public static void main(String[] args){
        new Reader().start();
        number = 42;  //1
        ready = true;  //2
    }
}

这段代码中如过重排序先执行了第2行代码，那么输出就是0，与我们预期的结果是不同的。所以重排序在多线程下可能有安全问题。

4、解决多线程下原子性、可见性、有序性问题

1. volatile关键字

解决可见性、有序性问题。

2.synchronized关键字

解决原子性、可见性、有序性问题