计算机CPU中，基于高速缓存的存储交互很好的解决了处理器与内存的速度矛盾，但也引入了新的问题：缓存一致性（Cache Coherence）。在多处理器系统中，每个处理器都有自己的高速缓存，而它们又共享同一主内存（Main Memory），如下图所示。当多个处理器的运算任务都涉及同一块主内存区域时，将可能导致各自的缓存数据不一致。为了解决一致性的问题，需要各个处理器访问缓存时都遵循一些协议，在读写时要根据协议来进行操作，这类协议有MSI、MESI等。
Java内存模型
java虚拟机规范中视图定义一种Java内存模型（Java Memory Model，JMM）来屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。在此之前，主流程序语言（C/C++等）直接使用物理硬件和操作系统的内存模型，因此会由于不同平台上内存模型的差异，有可能导致程序在一套平台上并发完全正常，在另外一套平台上并发访问出错，因此在某些场景下就需要针对不同的平台来编写程序。
主内存与工作内存
Java内存模型的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编程中所说的变量有所区别，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，因此后者是线程私有的，不会被共享，也就不存在竞争问题。
Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存（Main Memory）中（此处主内存可类比上面提到的物理内存的主内存，但此处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，可类比处理器高速缓存），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。不同的线程直接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、主内存和工作内存的交互关系也类似处理器、高速缓存和主内存的交互关系。
内存间交互操作
关于主内存和工作内存之间具体的交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步回主内存之类的实现细节，Java内存模型中定义了以下8种操作来完成，虚拟机实现时必须保证下面提及的每一种操作都是原子的、不可再分的。
lock（锁定）：作用于主内存的变量，它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，它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。
read（读取）：作用于主内存的变量，它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，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需要使用到变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
assign（赋值）：作用于工作内存中的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量，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write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的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，就要顺序地执行read和load操作，如果要把变量从工作内存同步回主内存，就要顺序地执行store和write操作。Java内存模型只要求上述这两个操作按顺序执行，不需要连续执行。即read和load、store和write操作之间是可以插入其他指令的，例如对主内存中的变量a，b进行访问时，可以出现如下顺序：read a、read b、load b、load a。
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：
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但工作内存不接受，或者从工作内存发起回写但主内存不接受的情况；
2.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了之后必须把该变化同步回主内存；
3.不允许一个线程无原因的（没有发生任何assign操作）把数据从线程工作内存同步回主内存；
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、store操作之前，必须先执行过assign和load操作；
5.一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操作可以被同一个线程执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁；
6.如果对一个变量执行lock操作，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，那就不允许对它执行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量；
对一个变量执行unlock之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行store、write操作）。
volatile型变量的特殊规则
当一个变量定义为volatile之后，它将具备两种特性，第一是保证此变量对所有线程的可见性，这里的“可见性”是指当一个线程修改了这个变量的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的。而普通变量的值在线程间传递均需要通过主内存来完成。
使用volatile变量的第二个语义是禁止指令重排序优化，普通的变量仅仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果，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。因为在一个线程的方法执行过程中无法感知到这点，这也就是Java内存模型中描述的所谓的“线程内表现为串行的语义”（Within-Thread As-If-Serial Semantics）。
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