JAVA線程內存與主存間映射示意圖

• Java內存模型中規定了所有的變量都存儲在主內存中，每條線程還有自己的工作內存，線程的工作內存中保存了該線程使用的變量到主內存副本拷貝，線程對變量的所有操作（讀取、賦值）都必須在工作內存中進行，而不能直接讀寫主內存中的變量。不同線程之間無法直接訪問對方工作內存中的變量，線程間變量值的傳遞均需要在主內存來完成。

工作內存與主內存間交互操作

Java內存模型只保證操作必須按順序執行，而沒有保證必須是連續執行。

以下八種操作來完成

• lock（鎖定）：作用于主內存的變量，把一個變量標識為一條線程獨占狀態。

• unlock（解鎖）：作用于主內存變量，把一個處于鎖定狀態的變量釋放出來，釋放后的變量才可以被其他線程鎖定。

• read（讀取）：作用于主內存變量，把一個變量值從主內存傳輸到線程的工作內存中，以便隨后的load動作使用。

• load（載入）：作用于工作內存的變量，它把read操作從主內存中得到的變量值放入工作內存的變量副本中。

• use（使用）：作用于工作內存的變量，把工作內存中的一個變量值傳遞給執行引擎，每當虛擬機遇到一個需要使用變量的值的字節碼指令時將會執行這個操作。

• assign（賦值）：作用于工作內存的變量，它把一個從執行引擎接收到的值賦值給工作內存的變量，每當虛擬機遇到一個給變量賦值的字節碼指令時執行這個操作。

• store（存儲）：作用于工作內存的變量，把工作內存中的一個變量的值傳送到主內存中，以便隨后的write的操作。

• write（寫入）：作用于主內存的變量，它把store操作從工作內存中一個變量的值傳送到主內存的變量中。

在執行上述八種基本操作時，必須滿足如下規則

• 不允許read和load、store和write操作之一單獨出現。

• 不允許一個線程丟棄它的最近assign的操作，即變量在工作內存中改變了之后必須同步到主內存中。

• 不允許一個線程無原因地（沒有發生過任何assign操作）把數據從工作內存同步回主內存中。

• 一個新的變量只能在主內存中誕生，不允許在工作內存中直接使用一個未被初始化（load或assign）的變量。即就是對一個變量實施use和store操作之前，必須先執行過了assign和load操作。

• 一個變量在同一時刻只允許一條線程對其進行lock操作，lock和unlock必須成對出現。

• 如果對一個變量執行lock操作，將會清空工作內存中此變量的值，在執行引擎使用這個變量前需要重新執行load或assign操作初始化變量的值。

• 如果一個變量事先沒有被lock操作鎖定，則不允許對它執行unlock操作；也不允許去unlock一個被其他線程鎖定的變量。

• 對一個變量執行unlock操作之前，必須先把此變量同步到主內存中（執行store和write操作）。

重排序

在執行程序時為了提高性能，編譯器和處理器經常會對指令進行重排序。

長排序有以下幾種

• 編譯器優化的重排序。編譯器在不改變單線程程序語義放入前提下，可以重新安排語句的執行順序。

• 指令級并行的重排序。現代處理器采用了指令級并行技術來將多條指令重疊執行。如果不存在數據依賴性，處理器可以改變語句對應機器指令的執行順序。

• 內存系統的重排序。由于處理器使用緩存和讀寫緩沖區，這使得加載和存儲操作看上去可能是在亂序執行。

• 了保證內存的可見性，Java編譯器在生成指令序列的適當位置會插入內存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序。

內存屏障

內存屏障（Memory Barrier，或有時叫做內存柵欄，Memory Fence）是一種CPU指令，用于控制特定條件下的重排序和內存可見性問題。Java編譯器也會根據內存屏障的規則禁止重排序。

內存屏障有以下幾種

• LoadLoad屏障：對于這樣的語句Load1; LoadLoad; Load2，在Load2及后續讀取操作要讀取的數據被訪問前，保證Load1要讀取的數據被讀取完畢。

• StoreStore屏障：對于這樣的語句Store1; StoreStore; Store2，在Store2及后續寫入操作執行前，保證Store1的寫入操作對其它處理器可見。

• LoadStore屏障：對于這樣的語句Load1; LoadStore; Store2，在Store2及后續寫入操作被刷出前，保證Load1要讀取的數據被讀取完畢。

• StoreLoad屏障：對于這樣的語句Store1; StoreLoad; Load2，在Load2及后續所有讀取操作執行前，保證Store1的寫入對所有處理器可見。它的開銷是四種屏障中最大的。在大多數處理器的實現中，這個屏障是個萬能屏障，兼具其它三種內存屏障的功能。

happens-before原則

Java內存模型下一些”天然的“happens-before關系，這些happens-before關系無須任何同步器協助就已經存在，可以在編碼中直接使用。如果兩個操作之間的關系不在此列，并且無法從下列規則推導出來的話，它們就沒有順序性保障，虛擬機可以對它們進行隨意地重排序。

程序順序規則(Pragram Order Rule)：在一個線程內，按照程序代碼順序，前面的操作先行發生于后面的操作。

管程鎖定規則(Monitor Lock Rule)：一個unlock操作先行發生于后面對同一個鎖的lock操作。

volatile變量規則(Volatile Variable Rule)：對一個volatile變量的寫操作先行發生于后面對這個變量的讀取操作。

線程啟動規則(Thread Start Rule)：Thread對象的start()方法先行發生于此線程的每一個動作。

線程終于規則(Thread Termination Rule)：線程中的所有操作都先行發生于對此線程的終止檢測，我們可以通過Thread.join()方法結束，Thread.isAlive()的返回值等作段檢測到線程已經終止執行。

線程中斷規則(Thread Interruption Rule)：對線程interrupt()方法的調用先行發生于被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發生，可以通過Thread.interrupted()方法檢測是否有中斷發生。

對象終結規則(Finalizer Rule)：一個對象初始化完成(構造方法執行完成)先行發生于它的finalize()方法。

傳遞性(Transitivity)：如果操作A先行發生于操作B，操作B先行發生于操作C，那就可以得出操作A先行發生于操作C。