由于计算机的存储设备与处理器的运算速度有着几个数量级的差距，所以现在计算机系统都不得不加入一层或多层读写速度尽可能接近处理器运算速度的高级缓存（Cache）来作为内存与处理器之间的缓冲：将运算需要使用的数据复制到缓存中，让运算能快速进行，当运算结束后再从缓存同步回内存之中，这样处理器就无须等待缓慢的内存读写了。
基于高速缓存的存储交互很好地解决了处理器与内存速度之间的矛盾，但是它引入了一个新问题：缓存一致性。在多路处理器系统中，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，这种系统成为共享内存多核系统。为了解决缓存一致性问题，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。
除了增加高速缓存之外，为了使处理器内部的运算单元能尽量被充分利用，处理器可能会对输入代码进行乱序执行优化，处理器会在计算之后将乱序执行的结果重组，保证该结果与顺序执行的结果是一致的，但并不保证程序中各个语句计算的先后顺序与输入代码中的顺序一致，因此如果存在一个计算任务依赖另外一个计算任务的中间结果，那么其顺序性并不能靠代码的先后顺序来保证。与处理器的乱序执行优化类似，Java虚拟机的即时编译器中也有指令重排序优化。
Java内存模型（JMM）：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。
Java内存模型的主要目的是定义程序中各种变量的访问规则，即关注在虚拟机中把变量值存储到内存和从内存中取出变量值这样的底层细节。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，但是不包括局部变量与方法参数，因为后者是线程私有的，不会被共享，自然就不会存在竞争问题。
Java内存模型规定所有的变量都存储在主内存中（此处的主内存与介绍物理硬件时提到的主内存名字一样，两者也可以类比，但物理上它仅是虚拟机内存的一部分）。每条线程还有自己的工作内存（可与前面讲的高速缓存类比），线程的工作内存中保存了被该线程使用的变量的主内存副本，线程对变量的所有操作（读取、赋值等）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的数据。不同线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成。
需要注意的是，volatile变量依然有工作内存的拷贝，但是由于它特殊的操作顺序性规定，所以看起来如同直接在主内存中读写访问一样。
关于主内存与工作内存之间的具体的交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如果从工作内存同步回主内存这一类的实现细节，Java内存模型定义了以下8种操作来完成。Java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（对于double和long类型的变量来说，load、store、read和write操作在某些平台上允许有例外）
- 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，它把一个变量的值从主内存传输到现场的工作内存中，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，每个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
- assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收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操作工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中
关键字volatile可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制。
当一个变量被定义成volatile之后，它将具备两项特性：第一项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可以立即得知。第二个语义是禁止指令重排序优化。
volatile变量在各个线程的工作内存中是不存在一致性问题的（从物理存储的角度看，各个线程的工作内存中volatile变量也可以存在不一致的情况，但由于每次使用之前都要先刷新，执行引擎看不到不一致的情况，因此可以认为不存在一致性问题），但是Java里面的运算操作符并非原子操作，这导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的。
下面是自增运算race++的javap反编译代码：
public static void increase();
Code:
Stack=2, Locals=0, Args_size=0
0: getstatic
3: iconst_1
4: iadd
5: putstatic
8: return
LineNumberTable:
line 14: 0
line 15: 8当getstatic指令把race的值取到操作数栈顶时，volatile关键字保证了race的值在此时是正确的，但是在执行iconst_1、iadd这些指令的时候，其他线程可能已经把race的值改变了，而操作栈顶的值就变成了过期的数据，所以putstatic指令执行后就可能把较小的race值同步回主内存之中。
由于volatile变量只能保证可见性，在不符合以下两条规则的运算场景中，我们仍然要通过加锁（使用synchronized、java.util.concurrent中的锁或原子类）来保证原子性：
- 运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值
- 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束
下面的代码的场景就很适合使用volatile变量来控制并发：
volatile boolean shutdownRequested;
public void shutdown() {
shutdownRequested = true;
}
public void doWork() {
while (!shutdownRequested) {
// 代码的业务逻辑
}
}可见性原理: 当对volatile变量进行写操作的时候,JVM会向处理器发送一条lock前缀的指令,这个lock指令第一个作用是将这个缓存中的变量回写到系统主存中;第二个作用是这个写内存的操作会使其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效.但是就算回写到内存,如果其他处理器缓存的值还是旧的,还是有问题,为了保证各个处理器的缓存是一致的,就会实现一致性协议,即每个处理器通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己缓存的值是不是过期了,如果内存地址被修改就会把当前处理器的缓存行设置为无效状态,当处理器对这个数据进行操作的时候,就会重新拉一份新的值.
有序性原理: 有序性是通过内存屏障来实现的,具体实现:
- 在volatile写操作的的前面插入一个StoreStore屏障,保障volatile写操作不会和之前的写操作重排序
- 在volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障,保障volatile写操作不会和之后的读操作重排序
- 在volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障+LoadSore屏障,保证volatile读操作不会和之后的读操作,写操作重排序
对于64位的数据类型（long和double），允许虚拟机将没有被volatile修饰的64位数据的读写操作划分为两次32位的操作来进行，即允许虚拟机实现自行选择是否要保证64位数据类型的load、store、read和write这四个操作的原子性，这就是所谓的”long和double的非原子性协定“
Java内存模型是围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这三个特征来建立的。
大致可以认为，基本数据类型的访问、读写都是具备原子性的。
如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证，Java内存模型还提供了lock和unlock操作来满足这种需求，尽管虚拟机未把lock和unlock操作直接开放给用户使用，但是却提供了更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐式地使用这两个操作。这两个字节码指令反映到Java代码中就是同步块——synchronized关键字，因此在synchronized块之间的操作也具备原子性。
可见性就是指当一个线程修改了共享变量的值时，其他线程能够立即得知这个修改。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这种依赖主内存作为传递媒介的方式来实现可见性的，无论是普通变量还是volatile变量都是如此。普通变量与volatile变量的区别是，volatile的特殊规则保证了新值能立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新。可以说是volatile保证了多线程操作时的可见性，而普通变量则不能保证这一点。
除了volatile之外，Java还有两个关键字能实现可见性，它们是synchronized和final。同步块的可见性是由”对一个变量执行unlock操作之前，必须先把次变量同步回主内存中“这条规则获得的。而final关键字的可见性是指:被final修饰的字段在构造器中一旦被初始化完毕，并且构造器没有把this引用传递出去，那么在其他线程中就能看见final字段的值。
Java程序中天然的有序性可以总结为一句话：如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程，所有的操作都是无序的。前半句是指线程内似表现为串行的语义，后半句是指指令重排序现象和工作内存与主内存同步延迟现象。
Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性，volatile关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义，而synchronized则是由一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作这条规则获得的，这个规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。
先行发生原则：它是判断数据是否存在竞争，线程是否安全的非常有用的手段。
先行发生是Java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系，比如说操作A先行发生于操作B，其实就是说在发生操作B之前，操作A产生的影响能被操作B观察到，影响包括修改了内存中共享变量的值、发送了消息、调用了方法等。
下面是Java内存模型下一些天然的先行发生关系，这些先行发生关系无需任何同步器协助就已经存在，可以在编码中直接使用。如果两个操作之间的关系不在此列，并且无法从下列规则推导出来，则它们就没有顺序性保障，虚拟机可以对它们随意进行重排序。
- 程序次序规则：在一个线程内，按照控制流顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。注意，这里说的控制流顺序而不是程序代码顺序，因为要考虑分支、循环等结构
- 管程锁定规则：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。这里必须强调的是同一个锁，而“后面”是指时间上的先后。
- volatile变量规则：对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作，这里的“后面”同样是指时间上的先后
- 线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作
- 线程终止规则：线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测，我们可以通过Thread::join()方法是否结束、Thread::isAlive()的返回值等手段检测线程是否已经终止执行
- 线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生，可以通过Thread::interrupted()方法检测到是否有中断发生
- 对象终结规则：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行发生于它的finalize()方法的开始
- 传递性：如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，那就可以得出操作A先行发生于操作C的结论
时间先后顺序与先行发生原则之间基本没有因果关系，所以我们衡量并发安全问题的时候不要受时间顺序的干扰，一切以先行发生原则为准。
线程是比进程更轻量级的调度执行单位，线程的引入，可以把一个进程的资源分配和执行调度分开，各个线程既可以共享进程资源（内存地址、文件I/O等），又可以独立调度。目前线程是Java里面进行处理器资源调度的最基本单位。
实现线程主要有三种方式：使用内核线程实现（1:1实现），使用用户线程实现（1：N实现），使用用户线程加轻量级进程混合实现（N:M实现）
使用内核线程实现的方式也被称为1：1实现。内核线程就是直接由操作系统内核支持的线程，这种线程由内核来完成线程切换，内核通过操纵调度器对线程进行调度，并负责将线程的任务映射到各个处理器上。
广义上讲，一个线程只要不是内核线程，都可以认为是用户线程的一种，因此从这个定义上看，轻量级进程也属于用户线程，但轻量级进程的实现始终是建立在内核之上的，许多操作都要进行系统调用，因此效率会受到限制，并不具备通常意义上的用户线程的优点。
用户线程的优势在于不需要系统内核支援，劣势也在于没有系统内核的支援，所有的线程操作都需要由用户程序自己去处理。
混合实现下，即存在用户线程，也存在轻量级进程。用户线程还是完全建立在用户空间中，因此用户线程的创建、切换、析构等操作依然廉价，并且可以支持大规模的用户线程并发。
以HotSpot为例，它的每一个Java线程都是直接映射到一个操作系统原生线程来实现的，而且中间没有额外的间接结构，所以HotSpot自己是不会去干涉线程调度的，全权交给底下的操作系统去处理，所以何时冻结或唤醒线程、该给线程分配多少处理器执行时机、该把线程安排给哪个处理器核心去执行等，都是由操作系统完成的，也都是由操作系统全权决定的。
Java线程有6种状态，任一时间点，一个线程只能有一种状态。
- 新建（New）：创建后尚未启动的线程处于这种状态
- 运行（Runnable）：包括操作系统线程状态中的Running和Ready，也就是可能正在执行，也可能正在等待操作系统给它分配执行时间
- 无限期等待（Waiting）：处于这种状态的线程不会被分配处理器执行时间，它们要等待被其他线程显式唤醒，下面几种操作会让线程陷入无限期等待状态
- 没有设置Timeout参数的Object::wait()方法
- 没有设置Timeout参数的Thread::ioin()方法
- LockSupport::park()方法
- 限期等待（Time Waiting）：处于这种状态的线程也不会被分配处理器执行时间，不过无须等待被其他线程显式唤醒，在一定时间之后它们会由系统自动唤醒。下面几种方式会让线程进入限期等待状态：
- Thread::sleep()方法
- 设置了Timeout参数的Object::wait()方法
- 设置了Timeout参数的Thread::join()方法
- LockSupport::parkNanos()方法
- LockSupport::parkUntil()方法
- 阻塞（Blocked）：线程被阻塞了，阻塞状态与等待状态的区别是阻塞状态在等待着获取到一个排它锁，这个事件将在另外一个线程放弃这个锁的时候发生；而等待状态则是在等待一段时间，或者唤醒动作的发生。在程序等待进入同步区域时，线程将进入这种状态
- 结束（Terminated）：已终止线程的线程状态，线程已经结束执行
