面试题：JMM模型
JMM本身是一种抽象的概念并不真实存在，它描述的是一组规则或规范，通过这组规范定义了程序中各个变量的访问方式。它涵盖了缓存，写缓冲区，寄存器以及其他的硬件和编译器优化。
JMM关于同步的规定
- 线程解锁前，必须把共享变量的值刷新回主内存
- 线程加锁前，必须读取主内存的最新值到自己的工作内存
- 加锁解锁是同一把锁
由于JVM运行程序的实体是线程，而每个线程创建时JVM都会为其创建一个工作内存，工作内存是每个线程的私有数据区域，而Java内存模型中规定所有变量都存储在主内存，主内存是共享内存区域，所有线程都能访问，但是线程对变量的操作必须在工作内存中进行，首先要将变量从主内存拷贝到自己的工作内存空间，然后对变量进行操作，操作完成后再将变量写回主内存，不能直接操作主内存的变量，各个现场中的工作内存中存储找主内存的变量副本拷贝，因此不同的线程间无法访问对方的工作内存，线程间的通信必须通过主内存来完成
解决的问题
1 工作内存数据一致性 各个线程操作数据时会保存使用到的主内存中的共享变量副本，当多个线程的运算任务都涉及同一个共享变量时，将导致各自的的共享变量副本不一致，如果真的发生这种情况，数据同步回主内存以谁的副本数据为准？ Java内存模型主要通过一系列的数据同步协议、规则来保证数据的一致性，后面再详细介绍。
2 指令重排序优化 Java中重排序通常是编译器或运行时环境为了优化程序性能而采取的对指令进行重新排序执行的一种手段。重排序分为两类：编译期重排序和运行期重排序，分别对应编译时和运行时环境。 同样的，指令重排序不是随意重排序，它需要满足以下两个条件： 1 在单线程环境下不能改变程序运行的结果 即时编译器（和处理器）需要保证程序能够遵守 as-if-serial 属性。通俗地说，就是在单线程情况下，要给程序一个顺序执行的假象。即经过重排序的执行结果要与顺序执行的结果保持一致。 2 存在数据依赖关系的不允许重排序
内存交互的基本操作
关于主内存与工作内存之间的具体交互协议，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内存模型中定义了下面介绍8种操作来完成。
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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。
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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。
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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线程的工作内存中，以便随后的load动作使用。
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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。
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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得字节码指令时就会执行这个操作。
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assign (赋值) 作用于工作内存的变量，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。
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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write操作使用。
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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。
Java内存模型运行规则
1 内存交互基本操作的3个特性
介绍一下操作的3个特性，Java内存模型是围绕着在并发过程中如何处理这3个特性来建立的，这里先给出定义和基本实现的简单介绍，后面会逐步展开分析。
- 原子性(Atomicity) 即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。即使在多个线程一起执行的时候，一个操作一旦开始，就不会被其他线程所干扰。
- 可见性(Visibility) 是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。 正如上面“交互操作流程”中所说明的一样，JMM是通过在线程1变量工作内存修改后将新值同步回主内存，线程2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。
- 有序性(Ordering) 有序性规则表现在以下两种场景: 线程内和线程间 线程内 从某个线程的角度看方法的执行，指令会按照一种叫“串行”（as-if-serial）的方式执行，此种方式已经应用于顺序编程语言。 线程间 这个线程“观察”到其他线程并发地执行非同步的代码时，由于指令重排序优化，任何代码都有可能交叉执行。唯一起作用的约束是：对于同步方法，同步块(synchronized关键字修饰)以及volatile字段的操作仍维持相对有序。
Java内存模型的一系列运行规则看起来有点繁琐，但总结起来，是围绕原子性、可见性、有序性特征建立。归根究底，是为实现共享变量的在多个线程的工作内存的数据一致性，多线程并发，指令重排序优化的环境中程序能如预期运行。
2 happens-before关系
介绍系列规则之前，首先了解一下happens-before关系：用于描述下2个操作的内存可见性：如果操作A happens-before 操作B，那么A的结果对B可见。happens-before关系的分析需要分为单线程和多线程的情况：
- 单线程下的 happens-before 字节码的先后顺序天然包含happens-before关系：因为单线程内共享一份工作内存，不存在数据一致性的问题。 在程序控制流路径中靠前的字节码 happens-before 靠后的字节码，即靠前的字节码执行完之后操作结果对靠后的字节码可见。然而，这并不意味着前者一定在后者之前执行。实际上，如果后者不依赖前者的运行结果，那么它们可能会被重排序。
- 多线程下的 happens-before 多线程由于每个线程有共享变量的副本，如果没有对共享变量做同步处理，线程1更新执行操作A共享变量的值之后，线程2开始执行操作B，此时操作A产生的结果对操作B不一定可见。
为了方便程序开发，Java内存模型实现了下述支持happens-before关系的操作：
- 程序次序规则 一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作 happens-before 书写在后面的操作。
- 锁定规则 一个unLock操作 happens-before 后面对同一个锁的lock操作。
- volatile变量规则 对一个变量的写操作 happens-before 后面对这个变量的读操作。
- 传递规则 如果操作A happens-before 操作B，而操作B又 happens-before 操作C，则可以得出操作A happens-before 操作C。
- 线程启动规则 Thread对象的start()方法 happens-before 此线程的每个一个动作。
- 线程中断规则 对线程interrupt()方法的调用 happens-before 被中断线程的代码检测到中断事件的发生。
- 线程终结规则 线程中所有的操作都 happens-before 线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行。
- 对象终结规则 一个对象的初始化完成 happens-before 他的finalize()方法的开始
4.3 内存屏障
Java中如何保证底层操作的有序性和可见性？可以通过内存屏障。
内存屏障是被插入两个CPU指令之间的一种指令，用来禁止处理器指令发生重排序（像屏障一样），从而保障有序性的。另外，为了达到屏障的效果，它也会使处理器写入、读取值之前，将主内存的值写入高速缓存，清空无效队列，从而保障可见性。
举个例子：
Store1;
Store2;
Load1;
StoreLoad; //内存屏障
Store3;
Load2;
Load3;
对于上面的一组CPU指令（Store表示写入指令，Load表示读取指令），StoreLoad屏障之前的Store指令无法与StoreLoad屏障之后的Load指令进行交换位置，即重排序。但是StoreLoad屏障之前和之后的指令是可以互换位置的，即Store1可以和Store2互换，Load2可以和Load3互换。
常见有4种屏障
- LoadLoad屏障： 对于这样的语句 Load1; LoadLoad; Load2，在Load2及后续读取操作要读取的数据被访问前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
- StoreStore屏障： 对于这样的语句 Store1; StoreStore; Store2，在Store2及后续写入操作执行前，保证Store1的写入操作对其它处理器可见。
- LoadStore屏障： 对于这样的语句Load1; LoadStore; Store2，在Store2及后续写入操作被执行前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
- StoreLoad屏障： 对于这样的语句Store1; StoreLoad; Load2，在Load2及后续所有读取操作执行前，保证Store1的写入对所有处理器可见。它的开销是四种屏障中最大的（冲刷写缓冲器，清空无效化队列）。在大多数处理器的实现中，这个屏障是个万能屏障，兼具其它三种内存屏障的功能。
Java中对内存屏障的使用在一般的代码中不太容易见到，常见的有volatile和synchronized关键字修饰的代码块(后面再展开介绍)，还可以通过Unsafe这个类来使用内存屏障。
4 8种操作同步的规则
JMM在执行前面介绍8种基本操作时，为了保证内存间数据一致性，JMM中规定需要满足以下规则：
- 规则1：如果要把一个变量从主内存中复制到工作内存，就需要按顺序的执行 read 和 load 操作，如果把变量从工作内存中同步回主内存中，就要按顺序的执行 store 和 write 操作。但 Java 内存模型只要求上述操作必须按顺序执行，而没有保证必须是连续执行。
- 规则2：不允许 read 和 load、store 和 write 操作之一单独出现。
- 规则3：不允许一个线程丢弃它的最近 assign 的操作，即变量在工作内存中改变了之后必须同步到主内存中。
- 规则4：不允许一个线程无原因的（没有发生过任何 assign 操作）把数据从工作内存同步回主内存中。
- 规则5：一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。即就是对一个变量实施 use 和 store 操作之前，必须先执行过了 load 或 assign 操作。
- 规则6：一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 操作可以被同一条线程重复执行多次，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。所以 lock 和 unlock 必须成对出现。
- 规则7：如果对一个变量执行 lock 操作，将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。
- 规则8：如果一个变量事先没有被 lock 操作锁定，则不允许对它执行 unlock 操作；也不允许去 unlock 一个被其他线程锁定的变量。
- 规则9：对一个变量执行 unlock 操作之前，必须先把此变量同步到主内存中（执行 store 和 write 操作）
