许多以Java多线程开发为主题的技术书籍，都会把对Java虚拟机和Java内存模型的讲解，作为讲授Java并发编程开发的主要内容，有的还深入到计算机系统的内存、CPU、缓存等予以说明。实际上，在实际的Java开发工作中，仅仅了解并发编程的创建、启动、管理和通信等基本知识还是不够的。一方面，如果要开发出高效、安全的并发程序，就必须深入Java内存模型和Java虚拟机的工作原理，从底层了解并发编程的实质；更进一步地，在现今大数据的时代，要开发出高并发、高可用、考可靠的分布式应用及各种中间件，更需要深入到计算机工作原理的底层去进行代码开发。
本文尝试以一个较为全面的角度，以Java虚拟机工作原理和Java内存模型为切入，配合一些计算机CPU缓存的知识，深入理解Java多线程开发中的难点，包括线程安全和线程通信等内容。
如果需要先行了解Java并发编程的基础知识，可参考以下随笔：
Java并发编程之线程创建和启动(Thread、Runnable、Callable和Future)
Java并发编程之线程生命周期、守护线程、优先级、关闭和join、sleep、yield、interrupt
Java并发编程之线程安全、线程通信
CPU缓存模型
一般来说，逻辑上是先有了现行的计算机体系，再有基于计算机系统的高级编程语言及其编译器、虚拟机等构件。因此第一部分先介绍一下困扰许多初学者的Java多线程开发的源头——CPU缓存模型。
计算机中，所有的计算都是在CPU寄存器中完成，而指令完成所需要的数据读取和写入，都需要从RAM主存获取。受硬件工艺的影响，现在的CPU处理速度已经远远超过主存的访问速度，差额基本是成千上万的差距。
因此，CPU缓存设计应运而生。如下为CPU缓存架构图和CPU缓存与主存的速度对比：
使用CPU缓存来处理数据的步骤大致为：
1. 把需要的数据从主存复制一份到CPU缓存中；
2. CPU从缓存中读取数据并计算；
3. 计算完成的数据刷新到主存中。
“缓存一致性问题”
如上的工作机制，会在多线程环境下导致缓存不一致的问题。为此，使用“总线加锁”（已淘汰）和“缓存一致性协议”来解决，它大致的思想是：
当CPU操作缓存中的数据时，如果发现该变量是一个共享变量，意味着其它缓存中也会有这个变量的副本，然后——
1. 如果是读操作，不做任何处理，只是从缓存中读取数据到寄存器
2. 如果是写操作，发出信号通知其它CPU将该变量的cache line置为无效状态，其它CPU在运行该变量读取的时候需要从主存更新数据。
Java虚拟机
受许多资料和书籍讲述不严谨所致，很多初学者往往简单地把Java虚拟机理解为类似编译器甚至解释器的存在，把Java虚拟机当做黑盒，认为输入了Java源代码，就可以输出计算机直接跑的程序了；因为JVM在不同操作系统上都有实现，所以可以做到“一份代码，多种机器运行的效果”。这样理解对小白或者外行人来说可能OK，但对于有想法深入学习Java的小伙伴，是远远不够的。
事实上，Java虚拟机有自己完善的硬体架构，如处理器、堆栈、寄存器等，还具有相应的指令系统。包括编译器以及JRE在内的整套体系，构成了完整的JVM。JVM原生支持包括Java、Scala、Kotlin在内的语言编译后运行。而其中，JRE又是JVM的核心部分。JRE的体系结构图如下：
JVM的类加载过程
当Java源文件经过javac编译完成，生成类文件之后，首先会被类加载器即ClassLoader加载。ClassLoader的主要职责是加载编译好的类文件，在对应的内存区域中生成该类的各个数据结构。类的加载分为加载、连接和初始化三个阶段，如图：
1. 加载：加载类的class文件
2. 连接
2.1 验证：确保class文件的正确性，如版本、魔术因子等
2.2 准备：为类的静态变量分配内存，并且初始化默认值
2.3 解析：把类中的符号引用转为直接引用
3. 初始化：为类的静态变量赋代码编写阶段锁赋的值
需要注意的是：类的加载实施的是懒加载，即用的时候才加载，并且在同一个运行时包下，一个类只会被初始化一次。
类的完整的生命周期，除了类加载，还包括使用和卸载。
关于使用，JVM定义了6种主动使用类的场景，会导致类的加载和初始化
new对象；访问类的静态变量(静态常量不会！)；访问类的静态方法；使用反射；初始化子类会初始化父类；启动类
注意初始化一个类为元素的数组不会加载类。
类加载的最终产物，是堆内存中的Class对象。而对于同一个ClassLoader，不管类被加载多少次，指向的都是同一个Class对象
类被加载后在栈内存中的分布情况如图