Java 内存模型（Java Memory Model，JMM）是 Java 语言规范中的一套规则，它描述了多线程环境下的线程与内存（主内存和高速缓存）的交互方式，以保证可见性，有序性和原子性，同时它屏蔽了硬件与操作系统的底层差异，使得 Java 程序在所有平台下的内存访问效果一致。

我们知道：CPU > 内存 , CPU的运算速度是远大于内存的，于是为了减少差异，CPU引入了L1、L2、L3，在多线程中，各线程可能运行在不同的核上使用自己的主内存拷贝副本数据，如果两个线程Thread1跟Thread2拷贝同一个内存块的数据，那么如果Thread1先于Thread2，Thread2是无法感知Thread1修改线程的，因为已经拷贝到cache中了

上下文切换带来的原子性问题

Java 中常常会使用count++的方式来实现计数器的自增操作，直觉上我们认为该操作是“一气呵成”的，但实际上对应的计算机中执行了 3 条指令：

• 指令1：将count读入缓存；
• 指令2：执行自增操作；
• 指令3：将自增后的count写入内存。

如果运行在同一个核心上的线程 Thread1 和线程 Thread2 先后执行count++，可能会存在一种情况：

初始状态下 count 为 0， 我们期望执行结束后线程 Thread1 的执行结果是 1，线程 Thread2 的执行结果是 2，但实际上恰恰相反，这就是上下文切换带来的原子性问题。

指令重排带来的有序性问题

指令重排是 CPU 一项重要的优化手段，在不改变单线程执行结果的前提下，CPU 可以自行选择如何优化指令。指令重排遵循两个基本原则：

• 数据依赖原则：如果两个操作使用的数据存在依赖性，那么不能通过指令重排来优化这两个操作的执行顺序；
• as-if-serial 语义：无论如何重排序，都要保证单线程场景下的语义不能被改变（或者说执行结果不变）。

我们举个 Java 中经典的例子，未正确同步的单例模式：

public static class Singleton {
  private Singleton instance;
  public Singleton getInstance() {
    if (instance == null) {
      synchronized(this) {
        if (instance == null) {
          instance = new Singleton();
        }
      }
    }
    return instance;
  }
  
  private Singleton() {
  }
}

Java 中通过关键字 new 来创建一个对象要经历 3 步：

1. 为这个对象分配内存；
2. 初始化这块内存；
3. 将变量名指向这块内存。

分析数据依赖原则，操作 1 是要先于操作 2 和操作 3 执行的，操作 2 和操作 3 之间并没有依赖性，如果操作 2 和操作 3 交换了执行顺序，依旧满足单线程环境下的语义，因此，在实际的执行过程中，无论是 1 -> 2 -> 3 还是 1->3->2 都是可以接受的。

那么在这个例子中，可能出现如下情况：

这种情况下线程 Thread2 拿到的是未经过初始化的 instance 对象。

JMM 的理解

JMM 提供了一系列 Java 内存交互规范，用于规范不同平台下多线程环境中并发访问共享内存的方式，以保证可见性，原子性和有序性，确保程序的可预测性和可靠性。JMM 中最重要的两个部分是 as-if-serial 语义和 Happens-Before 原则。

Happens-Before 原则是 JMM 中的一部分，用于描述多线程环境下操作之间执行结果的顺序，例如：操作 A happens-before 操作 B（记作�ℎ�→�Ahb​B），表示无论在何种情况下，操作 A 的结果对操作 B 来说都是可见的。

JSR-133 中定义了 Happens-Before 原则的 6 项内容：

• 程序顺序规则：线程中的每个操作happens-before该线程中的任意后续操作。
• 监视器锁规则：锁的解锁happens-before随后这个锁的加锁。
• volatile变量规则：volatile变量的写happens-before后续任意对这个volatile变量的读。
• 传递性：如果ℎ→Ahb​B，且ℎ→Bhb​C，那么ℎ→Ahb​C。
• Thread#start规则：如果线程 t1 执行操作启动线程 t2（执行t2.start），那么 t1 线程的t2.start操作happens-before于线程 t2 中的任意操作。
• Thread# join规则：如果线程 t1 执行操作t2.join并成功返回，那么线程B中的任意操作happens-before于线程A从t2.join操作成功返回。

Happens-Before 原则提供了线程间的可见性保证，描述了线程执行结果间的先后顺序，但 Happens-Before 原则并不限制指令执行的顺序，即Happens-Before 原则并不禁止重排序，只是要求重排序后的结果满足Happens-Before 原则的要求。