缓存一致性、乱序执行优化、指令重排序
本文整体的介绍一下 Java 内存模型，比如 Java 内存模型是什么，为什么要有 Java 内存模型，Java 内存模型解决了什么问题等。

为什么要有内存模型？
在了解JMM之前，先来看一下到底什么是计算机内存模型，然后再看Java内存模型在计算机内存模型的基础上都做了哪些事情。
程序在运行过程中，会将运算需要的数据从主存复制一份到 CPU 的高速缓存当中。
那么 CPU 进行计算时就可以直接从它的高速缓存读取数据和向其中写入数据，当运算结束之后，再将高速缓存中的数据刷新到主存当中。
而随着 CPU 能力的不断提升，一层缓存就慢慢的无法满足要求了，就逐渐的衍生出多级缓存。按照数据读取顺序和与 CPU 结合的紧密程度，
CPU 缓存可以分为一级缓存（L1），二级缓存（L2），部分高端 CPU 还具有三级缓存（L3），每一级缓存中所储存的全部数据都是下一级缓存的一部分。
这三种缓存的技术难度和制造成本是相对递减的，所以其容量也是相对递增的。
那么，在有了多级缓存之后，程序的执行就变成了：当 CPU 要读取一个数据时，首先从一级缓存中查找，如果没有找到再从二级缓存中查找，如果还是没有就从三级缓存或内存中查找。

缓存一致性、处理器优化。指令重排
为了使处理器内部的运算单元能够被充分利用，处理器可能会对输入代码进行乱序执行处理。这就是处理器优化。
现在很多流行的处理器会对代码进行优化乱序处理，很多编程语言的编译器也会有类似的优化，比如 Java 虚拟机的即时编译器（JIT）也会做指令重排。
并发编程：原子性、可见性、有序性
其实缓存一致性问题就是可见性问题，处理器优化会导致原子性问题，指令重排会导致有序性问题。

什么是内存模型

前面提到的，缓存一致性问题、处理器优化的指令重排问题是硬件的不断升级导致的。那么，有没有什么机制可以很好的解决上面的这些问题呢？

最简单直接的做法就是废除处理器和处理器的优化技术、废除 CPU 缓存，让 CPU 直接和主存交互。

但是，这么做虽然可以保证多线程下的并发问题。但是，这就有点因噎废食了。

所以，为了保证并发编程中可以满足原子性、可见性及有序性。有一个重要的概念，那就是——内存模型。

为了保证共享内存的正确性（可见性、有序性、原子性），内存模型定义了共享内存系统中多线程程序读写操作行为的规范。

通过这些规则来规范对内存的读写操作，从而保证指令执行的正确性。它与处理器有关、与缓存有关、与并发有关、与编译器也有关。

它解决了 CPU 多级缓存、处理器优化、指令重排等导致的内存访问问题，保证了并发场景下的一致性、原子性和有序性。

内存模型解决并发问题主要采用两种方式：

  • 限制处理器优化
  • 使用内存屏障

本文就不深入底层原理来展开介绍了，感兴趣的朋友可以自行学习。

什么是 Java 内存模型

前面介绍了计算机内存模型，这是解决多线程场景下并发问题的一个重要规范。

那么具体的实现是如何的呢？不同的编程语言，在实现上可能有所不同。

我们知道，Java 程序是需要运行在 Java 虚拟机上面的，Java 内存模型（Java Memory Model，JMM）就是一种符合内存模型规范的，
屏蔽了各种硬件和操作系统的访问差异的，保证了 Java 程序在各种平台下对内存的访问都能保证效果一致的机制及规范。

Java 内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中，每条线程还有自己的工作内存。

线程的工作内存中保存了该线程中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。

不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量的传递均需要自己的工作内存和主存之间进行数据同步进行。

而 JMM 就作用于工作内存和主存之间数据同步过程。它规定了如何做数据同步以及什么时候做数据同步。

这里面提到的主内存和工作内存，读者可以简单的类比成计算机内存模型中的主存和缓存的概念。

特别需要注意的是，主内存和工作内存与 JVM 内存结构中的 Java 堆、栈、方法区等并不是同一个层次的内存划分，无法直接类比。

Java 内存模型的实现

了解 Java 多线程的朋友都知道，在 Java 中提供了一系列和并发处理相关的关键字，比如 Volatile、Synchronized、Final、Concurren 包等。

其实这些就是 Java 内存模型封装了底层的实现后提供给程序员使用的一些关键字。

在开发多线程的代码的时候，我们可以直接使用 Synchronized 等关键字来控制并发，这样就不需要关心底层的编译器优化、缓存一致性等问题。

所以，Java 内存模型，除了定义了一套规范，还提供了一系列原语，封装了底层实现后，供开发者直接使用。

我们前面提到，并发编程要解决原子性、有序性和一致性的问题。下面我们就再来看下，在 Java 中，分别使用什么方式来保证。

原子性

在 Java 中，为了保证原子性，提供了两个高级的字节码指令 Monitorenter 和 Monitorexit。

在 Synchronized 的实现原理文章中，介绍过，这两个字节码，在 Java 中对应的关键字就是 Synchronized。

因此，在 Java 中可以使用 Synchronized 来保证方法和代码块内的操作是原子性的。

可见性

Java 内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值的这种依赖主内存作为传递媒介的方式来实现的。

Java 中的 Volatile 关键字提供了一个功能，那就是被其修饰的变量在被修改后可以立即同步到主内存。

被其修饰的变量在每次使用之前都从主内存刷新。因此，可以使用 Volatile 来保证多线程操作时变量的可见性。

除了 Volatile，Java 中的 Synchronized 和 Final 两个关键字也可以实现可见性。只不过实现方式不同，这里不再展开了。

有序性

在 Java 中，可以使用 Synchronized 和 Volatile 来保证多线程之间操作的有序性。

实现方式有所区别：Volatile 关键字会禁止指令重排。Synchronized 关键字保证同一时刻只允许一条线程操作。

好了，这里简单的介绍完了 Java 并发编程中解决原子性、可见性以及有序性可以使用的关键字。

读者可能发现了，好像 Synchronized 关键字是***的，它可以同时满足以上三种特性，这也是很多人滥用 Synchronized 的原因。

但是 Synchronized 是比较影响性能的，虽然编译器提供了很多锁优化技术，但是也不建议过度使用。

总结

在读完本文之后，相信你应该了解了什么是 Java 内存模型、Java 内存模型的作用以及 Java 中内存模型做了什么事情等。