Java内存模型（JMM）以及happens-before原则
Java内存模型——JMM（Java Memory Model）
一、为什么要引入Java内存模型？
主要是因为在多线程并发的情况下，由于CPU 优化，导致缓存不一致；或者因为编译器指令重排，多线程带来的结果不一致。为了解决这些并发的问题，让 Java 代码在不同硬件、不同操作系统中，输出的结果达到一致，Java 虚拟机规范提出了一套机制——Java 内存模型。下面就具体描述一下这些问题的产生。
1、缓存一致性：
线程是 CPU 调度的最小单位，线程中的字节码指令最终都是在 CPU 中执行的。CPU在执行的时候，免不了要和各种数据打交道，而 Java 中所有数据都是存放在主内存（RAM）当中的，这一过程可以参考下图：
图1
随着 CPU 技术的发展，CPU 的执行速度越来越快，但内存的技术并没有太大的变化，所以在内存中读取和写入数据的过程和 CPU 的执行速度比起来差距会越来越大，也就是上图中箭头部分。CPU 对主内存的访问需要等待较长的时间，这样就体现不出 CPU 超强运算能力的优势了。
因此，为了“压榨”处理性能，达到“高并发”的效果，在 CPU 中添加了高速缓存 （cache）来作为缓冲。如图2
图2
在执行任务时，CPU 会先将运算所需要使用到的数据复制到高速缓存中，让运算能够快速进行，当运算完成之后，再将缓存中的结果刷回（flush back）主内存，这样 CPU 就不用等待主内存的读写操作了。
但是，每个处理器都有自己的高速缓存，同时又共同操作同一块主内存，当多个处理器同时操作主内存时，可能导致数据不一致，这就是缓存一致性问题。
2、指令重排
指令重排很好理解，就是在不影响结果的情况下，编译器进行了优化。例如一下java代码：
int a = 1;
int b = 2;
a = a + 1;
对应的字节码：（可以通过javap -v xxx.class看到）
0: iconst_1 //将常量1压入操作数栈
1: istore_1 //将栈顶元素保存到局部变量表下标1处
2: iconst_2 //将常量2压入操作数栈
3: istore_2 //将栈顶元素保存到局部变量表下标2处
4: iload_1 //将局部变量表下标1处元素压入操作数栈
5: iconst_1 //将常量1压入操作数栈
6: iadd //将栈顶的两个元素相加，并将结果压入操作数栈
7: istore_1 //将栈顶元素保存到局部变量表下标1处
可以看出在上述指令中，有两处指令表达的是同样的语义，并且指令 7 并不依赖指令 2 和指令 3。在这种情况下，CPU 会对指令的顺序做优化：
0: iconst_1
1: iconst_1
2: iadd
3: istore_1
4: iconst_2
5: istore_2
从 Java 语言的角度看这层优化就是：
int a = 1;
a = a + 1;
int b = 2;
也就是说在 CPU 层面，有时候代码并不会严格按照 Java 文件中的顺序去执行。
所以有可能因为编译器重排，导致赋值先后顺序改变。这就导致了多线程中，由于赋值先后顺序改变，改变后又没有将结果刷回（flush back）主内存，因此导致结果不一致。
二、Java内存模型
Java内存模型本质上是一套规范，是为了解决CPU 多级缓存、CPU 优化、指令重排等导致的内存访问问题，从而保证 Java 程序（尤其是多线程程序）在各种平台下对内存的访问效果一致。在这套规范中，有一个非常重要的规则——happens-before。
在 Java 内存模型中，我们统一用工作内存（working memory）来当作 CPU 中寄存器或高速缓存的抽象。线程之间的共享变量存储在主内存（main memory）中，每个线程都有一个私有工作内存（类比 CPU 中的寄存器或者高速缓存），本地工作内存中存储了该线程读/写共享变量的副本。
happens-before 先行发生原则
happens-before 用于描述两个操作的内存可见性，通过保证可见性的机制可以让应用程序免于数据竞争干扰。它的定义如下：
如果一个操作 A happens-before 另一个操作 B，那么操作 A 的执行结果将对操作 B 可见。
上述定义我们也可以反过来理解：如果操作 A 的结果需要对另外一个操作 B 可见，那么操作 A 必须 happens-before 操作 B。
1、程序次序规则
在单线程内部，如果一段代码的字节码顺序也隐式符合 happens-before 原则，那么逻辑顺序靠前的字节码执行结果一定是对后续逻辑字节码可见，只是后续逻辑中不一定用到而已。比如以下代码：
int a = 10; // 1
b = b + 1; // 2
当代码执行到 2 处时，a = 10 这个结果已经是公之于众的，至于用没用到 a 这个结果则不一定。比如上面代码就没有用到 a = 10 的结果，说明 b 对 a 的结果没有依赖，这样就有可能发生指令重排。
但是如果将代码改为如下则不会发生指令重排优化：
int a = 10; // 1
b = b + a; // 2
2、锁定规则
无论是在单线程环境还是多线程环境，一个锁如果处于被锁定状态，那么必须先执行 unlock 操作后才能进行 lock 操作。
3、变量规则
volatile 保证了线程可见性。通俗讲就是如果一个线程先写了一个 volatile 变量，然后另外一个线程去读这个变量，那么这个写操作一定是 happens-before 读操作的。
4、线程启动规则
Thread 对象的 start() 方法先行发生于此线程的每一个动作。假定线程 A 在执行过程中，通过执行 ThreadB.start() 来启动线程 B，那么线程 A 对共享变量的修改在线程 B 开始执行后确保对线程 B 可见。
5、线程中断规则
对线程 interrupt() 方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测，直到中断事件的发生。
6、线程终结规则
线程中所有的操作都发生在线程的终止检测之前，我们可以通过 Thread.join() 方法结束、Thread.isAlive() 的返回值等方法检测线程是否终止执行。假定线程 A 在执行的过程中，通过调用 ThreadB.join() 等待线程 B 终止，那么线程 B 在终止之前对共享变量的修改在线程 A 等待返回后可见。
