多工和高併發是衡量一臺計算機處理器的能力重要指標之一。一般衡量一個伺服器效能的高低好壞，使用每秒事務處理數（Transactions Per Second，TPS）這個指標比較能說明問題，它代表著一秒內伺服器平均能響應的請求數，而TPS值與程式的併發能力有著非常密切的關係。在討論Java記憶體模型和執行緒之前，先簡單介紹一下硬體的效率與一致性。

硬體的效率與一致性

　　由於計算機的儲存裝置與處理器的運算能力之間有幾個數量級的差距，所以現代計算機系統都不得不加入一層讀寫速度儘可能接近處理器運算速度的快取記憶體（cache）來作為記憶體與處理器之間的緩衝：將運算需要使用到的資料複製到快取中，讓運算能快速進行，當運算結束後再從快取同步回記憶體之中沒這樣處理器就無需等待緩慢的記憶體讀寫了。
　　基於快取記憶體的儲存互動很好地解決了處理器與記憶體的速度矛盾，但是引入了一個新的問題：快取一致性（Cache Coherence）

。在多處理器系統中，每個處理器都有自己的快取記憶體，而他們又共享同一主存，如下圖所示：多個處理器運算任務都涉及同一塊主存，需要一種協議可以保障資料的一致性，這類協議有MSI、MESI、MOSI及Dragon Protocol等。Java虛擬機器記憶體模型中定義的記憶體訪問操作與硬體的快取訪問操作是具有可比性的，後續將介紹Java記憶體模型。

　　除此之外，為了使得處理器內部的運算單元能竟可能被充分利用，處理器可能會對輸入程式碼進行亂起執行（Out-Of-Order Execution）優化，處理器會在計算之後將對亂序執行的程式碼進行結果重組，保證結果準確性。與處理器的亂序執行優化類似，Java虛擬機器的即時編譯器中也有類似的指令重排序（Instruction Recorder）優化。

Java中的記憶體模型

Java中的記憶體模型與硬體中的記憶體模型類似.

主記憶體與工作記憶體

　　Java記憶體模型的主要目標是定義程式中各個變數的訪問規則，即在虛擬機器中將變數儲存到記憶體和從記憶體中取出變數這樣底層細節。此處的變數與Java程式設計時所說的變數不一樣，指包括了例項欄位、靜態欄位和構成陣列物件的元素，但是不包括區域性變數與方法引數，後者是執行緒私有的，不會被共享。

　　Java記憶體模型中規定了所有的變數都儲存在主記憶體中，每條執行緒還有自己的工作記憶體（可以與前面將的處理器的快取記憶體類比），執行緒的工作記憶體中儲存了該執行緒使用到的變數到主記憶體副本拷貝，執行緒對變數的所有操作（讀取、賦值）都必須在工作記憶體中進行，而不能直接讀寫主記憶體中的變數。

不同執行緒之間無法直接訪問對方工作記憶體中的變數，執行緒間變數值的傳遞均需要在主記憶體來完成，執行緒、主記憶體和工作記憶體的互動關係如下圖所示，和上圖很類似。

NOTE: 工作記憶體只會拷貝物件的引用,而不是直接拷貝整個物件,物件在堆中生成,對所有物件都是可見的。

主記憶體與工作記憶體之間的通訊

Java執行緒之間的通訊由Java記憶體模型（本文簡稱為JMM）控制，JMM決定一個執行緒對共享變數的寫入何時對另一個執行緒可見。從抽象的角度來看，JMM定義了執行緒和主記憶體之間的抽象關係：執行緒之間的共享變數儲存在主記憶體（main memory）中，每個執行緒都有一個私有的本地記憶體（local memory），本地記憶體中儲存了該執行緒以讀/寫共享變數的副本。本地記憶體是JMM的一個抽象概念，並不真實存在。它涵蓋了快取，寫緩衝區，暫存器以及其他的硬體和編譯器優化。

記憶體之間的互動操作

　　關於主記憶體與工作記憶體之間的具體互動協議，即一個變數如何從主記憶體拷貝到工作記憶體、如何從工作記憶體同步到主記憶體之間的實現細節，Java記憶體模型定義了以下八種操作來完成：

八種執行緒之間的互動指令：

1. lock（鎖定）：作用於主記憶體的變數，把一個變數標識為一條執行緒獨佔狀 。

2. unlock（解鎖）：作用於主記憶體變數，把一個處於鎖定狀態的變數釋放出來，釋放後的變數才可以被其他執行緒鎖定。

3. read（讀取）：作用於主記憶體變數，把一個變數值從主記憶體傳輸到執行緒的工作記憶體中，以便隨後的load動作使用

4. load（載入）：作用於工作記憶體的變數，它把read操作從主記憶體中得到的變數值放入工作記憶體的變數副本中。

5. use（使用）：作用於工作記憶體的變數，把工作記憶體中的一個變數值傳遞給執行引擎，每當虛擬機器遇到一個需要使用變數的值的位元組碼指令時將會執行這個操作。

6. assign（賦值）：作用於工作記憶體的變數，它把一個從執行引擎接收到的值賦值給工作記憶體的變數，每當虛擬機器遇到一個給變數賦值的位元組碼指令時執行這個操作。

7. store（儲存）：作用於工作記憶體的變數，把工作記憶體中的一個變數的值傳送到主記憶體中，以便隨後的write的操作。

8. write（寫入）：作用於主記憶體的變數，它把store操作從工作記憶體中一個變數的值傳送到主記憶體的變數中。

JMM對互動指令的約束

如果要把一個變數從主記憶體中複製到工作記憶體，就需要按順尋地執行read和load操作，如果把變數從工作記憶體中同步回主記憶體中，就要按順序地執行store和write操作。

Java記憶體模型只要求上述操作必須按順序執行，而沒有保證必須是連續執行。也就是read和load之間，store和write之間是可以插入其他指令的，如對主記憶體中的變數a、b進行訪問時，可能的順序是read a，read b，load b， load a。Java記憶體模型還規定了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

• 不允許一個執行緒丟棄它的最近assign的操作，即變數在工作記憶體中改變了之後必須同步到主記憶體中。

• 不允許一個執行緒無原因地（沒有發生過任何assign操作）把資料從工作記憶體同步回主記憶體中。

• 一個新的變數只能在主記憶體中誕生，不允許在工作記憶體中直接使用一個未被初始化（load或assign）的變數。即就是對一個變數實施use和store操作之前，必須先執行過了assign和load操作。

• 一個變數在同一時刻只允許一條執行緒對其進行lock操作，lock和unlock必須成對出現

• 如果對一個變數執行lock操作，將會清空工作記憶體中此變數的值，在執行引擎使用這個變數前需要重新執行load或assign操作初始化變數的值

• 如果一個變數事先沒有被lock操作鎖定，則不允許對它執行unlock操作；也不允許去unlock一個被其他執行緒鎖定的變數。

• 對一個變數執行unlock操作之前，必須先把此變數同步到主記憶體中（執行store和write操作）。

主記憶體與工作記憶體之間的通訊

兩個執行緒之間進行通訊時，必須經過下面兩個步驟

• 執行緒A把本地記憶體A中更新過的共享變數重新整理到主記憶體中去。

• 執行緒B到主記憶體中去讀取執行緒A之前已更新過的共享變數。

這兩個過程就是通過JMM記憶體之間的互動指令實現的。

如上圖所示，本地記憶體A和B有主記憶體中共享變數x的副本。

假設初始時，這三個記憶體中的x值都為0。執行緒A在執行時，把更新後的x值（假設值為1）臨時存放在自己的本地記憶體A中。當執行緒A和執行緒B需要通訊時，執行緒A首先會把自己本地記憶體中修改後的x值重新整理到主記憶體中，此時主記憶體中的x值變為了1。

隨後，執行緒B到主記憶體中去讀取執行緒A更新後的x值，此時執行緒B的本地記憶體的x值也變為了1。

從整體來看，這兩個步驟實質上是執行緒A在向執行緒B傳送訊息，而且這個通訊過程必須要經過主記憶體。JMM通過控制主記憶體與每個執行緒的本地記憶體之間的互動，來為java程式設計師提供記憶體可見性保證。

ref： 《深入理解JVM虛擬機器》