本文主要依据《深入理解Java虚拟机》这本书写的，有批评和建议请留言！

概述

计算机的处理器和存储器之间的运算速度存在数量级的差距，为了充分利用处理器，提高效率，现代计算机引入了高速缓冲：将运算需要用到的数据从内存复制到缓冲之中，运算结束后将结果从缓冲同步到内存之中，这样处理器就无需等待缓慢的内存读写了。

高速缓冲解决了处理器和内存之间的速度矛盾，但是引入了新的问题：缓存一致性。

计算机领域总是有这样的情况：为了提高效率，不得不采取一些措施，但是这些措施往往带来了新的问题，结果又不得不采取另一个措施解决新的问题，依此类推，直到问题解决。所谓提高效率，就是用最少的空间资源，在最短的时间内做最多的事情，但是鱼与熊掌不可兼得，往往要牺牲空间换取时间，或者牺牲时间换取空间（多半是以空间换取时间）。

缓存一致性的问题是这样的：在多处理器中，每个处理器都有自己的高速缓冲，但是它们又共享一块主内存，如下图：

当多个处理器的运算任务同时涉及到主内存的同一块内存区域时，就会产生一致性的问题：以哪个缓冲的结果为准？为了解决这一问题，引入了缓存一致性协议，各个处理器在访问缓存时都遵循这一协议。这类协议有 MSI,MESI,MOSI,Synapse,Firefly和Dragon Protocol等。

此外，为了充分利用处理器的各个运算单元，处理器可能会对输入的代码进行乱序执行优化，计算之后将结果进行重组，保证该结果与顺序执行的结果一致。与此对应的是，Java即时编译器（JIT）也会对指令进行重排。

Java内存模型

不同平台的内存模型会有差异，程序在一个平台上并发完全正常，但是在另一个平台上却有并发问题，因此需要为不同的平台编写不同的程序。

Java虚拟机规范定义了Java内存模型，用来屏蔽各个平台不同的内存模型。

主内存和工作内存

Java内存模型将内存分为主内存和工作内存。主内存用于存储实例字段、静态字段等等。主内存中的变量为所有线程所共享，但是线程不能直接操作主内存中的变量。每个线程都有一个工作内存，工作内存存储了该线程使用到的主内存中变量的副本。一个线程也不能访问其他线程工作内存中的变量，线程间变量值的传递均需通过主内存来完成。线程、工作内存和主内存三者的交互关系如下图：

这里的主内存和工作内存与Java内存区域中的堆、栈和方法区不是同一个层次的内存划分。如果要勉强对应的话，那么主内存对应内存区域中的堆，工作内存对应内存区域中的栈。

八种交互操作

关于一个变量如何从主内存中拷贝到工作内存、如何从工作内存同步回主内存的实现细节，Java内存模型定义了以下八种操作来完成：

1. 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状态。
2. unlock（解锁）：作用于主内存变量，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他线程锁定。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。

图解如下：

如果要把一个变量从主内存中复制到工作内存，就需要按顺序执行read和load操作，如果把变量从工作内存中同步回主内存中，就要按顺序地执行store和write操作。Java内存模型只要求上述操作必须按顺序执行，而没有保证必须是连续执行。也就是read和load之间，store和write之间是可以插入其他指令的，如对主内存中的变量a、b进行访问时，可能的顺序是read a，read b，load b， load a。除此之外，Java内存模型还规定了在执行上述八种基本操作时，必须满足如下规则：

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。
2. 不允许一个线程丢弃它的最近assign的操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步到主内存中。
3. 不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从工作内存同步回主内存中。
4. 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。即对一个变量实施use和store操作之前，必须先执行过了assign和load操作。
5. 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执行多次，执行相同数量的unlock，变量才会解锁。
6. 如果对一个变量执行lock操作，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。
7. 如果一个变量事先没有被lock操作锁定，则不允许对它执行unlock操作；也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。
8. 对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步到主内存中（执行store和write操作）。

虚拟机实现必须保证每一种操作都是原子的、不可再分的，但是对于double和long类型的变量来说，load、store、read和write操作在某些平台上可以有例外。