在Java中，虚拟机将运行时区域分成6种，如图：
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方法区：储存符号引用、被JVM加载的类信息、静态变量的地方。在Java8之后方法区被移除，使用元空间来存放类信息，常量池和其他东西被移到堆中（其实在7的时候常量池和静态变量就已经被移到堆中），不再有永久代一说。删除的原因大致如下：
由于类和方法的信息难以确定，不好设定大小，太大则影响年老代，太小容易内存溢出。
GC不好处理，回收效率低下，调优困难。
在上面的6种类型中，前三种是线程私有的，也就是说里面存放的值其他线程是看不到的，而后面三种（真正意义上讲只有堆一种）是线程之间共享的，这里面的变量对于各个线程都是可见的。如下图所示，前三种存放在线程内存中，大家都是相互独立的，而主内存可以理解为堆内存（实际上只是堆内存中的对象实例数据部分，其他例如对象头和对象的填充数据并不算入在内），为线程之间共享：
这里的变量指的是可以放在堆中的变量，其他例如局部变量、方法参数这些并不算入在内。线程内存跟主内存变量之间的交互是非常重要的，Java虚拟机把这些交互规范为以下8种操作，每一种都是原子性的（非volatile修饰的Double和Long除外）操作。
可能有人会不理解read和load、store和write的区别，觉得这两对的操作类似，可以把其当做一个是申请操作，另一个是审核通过（允许赋值）。例如：线程内存A向主内存提交了变更变量的申请（store操作），主内存通过之后修改变量的值（write操作）。如下图：
参照《深入理解Java虚拟机》
对于普通的变量来说（非volatile修饰的变量），虚拟机要求read、load有相对顺序即可，例如从主内存读取i、j两个变量，可能的操作是read i=>read j=>load j=> load i，并不一定是连续的。此外虚拟机还为这8种操作定制了操作的规则：
对于关键字volatile，大家都知道其一般作为并发的轻量级关键字，并且具有两个重要的语义：
这两个语义都是因为JMM对于volatile关键字修饰的变量会有特殊的规则：
- 在对变量执行use操作之前，其前一步操作必须为对该变量的load操作；在对变量执行load操作之前，其后一步操作必须为该变量的use操作。也就是说，使用volatile修饰的变量其read、load、use都是连续出现的，所以每次使用变量的时候都要从主内存读取最新的变量值，替换私有内存的变量副本值（如果不同的话）。
- 在对变量执行assign操作之前，其后一步操作必须为store；在对变量执行store之前，其前一步必须为对相同变量的assign操作。也就是说，其对同一变量的assign、store、write操作都是连续出现的，所以每次对变量的改变都会立马同步到主内存中。
- 在主内存中有变量a、b，动作A为当前线程对变量a的use或者assign操作，动作B为与动作A对应load或store操作，动作C为与动作B对应的read或write操作；动作D为当前线程对变量b的use或assign操作，动作E为与D对应的load或store操作，动作F为与动作E对应的read或write操作；如果动作A先于动作D，那么动作C要先于动作F。也就是说，如果当前线程对变量a执行的use或assign操作在对变量buse或assign之前执行的话，那么当前线程对变量a的read或write操作肯定要在对变量b的read或write操作之前执行。
从上面volatile的特殊规则中，我们可以知道1、2条其实就是volatile内存可见性的语义，第三条就是禁止指令重排序的语义。另外还有其他的一些特殊规则，例如对于非volatile修饰的double或者long这两个64位的数据类型中，虚拟机允许对其当做两次32位的操作来进行，也就是说可以分解成非原子性的两个操作，但是这种可能性出现的情况也相当的小。因为Java内存模型虽然允许这样子做，但却“强烈建议”虚拟机选择实现这两种类型操作的原子性，所以平时不会出现读到“半个变量”的情况。
虽然volatile修饰的变量可以强制刷新内存，但是其并不具备原子性，稍加思考就可以理解，虽然其要求对变量的（read、load、use）、（assign、store、write）必须是连续出现，即以组的形式出现，但是这两组操作还是分开的。比如说，两个线程同时完成了第一组操作（read、load、use），但是还没进行第二组操作（assign、store、write），此时是没错的，然后两个线程开始第二组操作，这样最终其中一个线程的操作会被覆盖掉，导致数据的不准确。如下面代码：
public class TestForVolatile {
public static volatile int i = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 创建四个线程，每个线程对i执行一定次数的自增操作
new Thread(() -> {
int k = 0;
while (k++ < 10000) {
i++;
}
System.err.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");
}).start();
new Thread(() -> {
int k = 0;
while (k++ < 10000) {
i++;
}
System.err.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");
}).start();
new Thread(() -> {
int k = 0;
while (k++ < 10000) {
i++;
}
System.err.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");
}).start();
new Thread(() -> {
int k = 0;
while (k++ < 10000) {
i++;
}
System.err.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");
}).start();
// 睡眠一定时间确保四个线程全部执行完毕
Thread.sleep(1000);
// 最终结果为33555，没有预期的4W
System.out.println(i);
}
}
结果图：
解释一下：因为i++操作其实为i = i + 1，假设在主内存i = 99的时候同时有两个线程完成了第一组操作（read、load、use），也就是完成了等号后面变量i的读取操作，这时候是没问题的，然后进行运算，都得出i+1=100的结果，接着对变量i进行赋值操作，这就开始第二组操作（assign、store、write），是不是同时赋值的无所谓，这样一来，两个线程都会以i = 100把值写到主内存中，也就是说，其中一个线程的操作结果会被覆盖，相当于无效操作，这就导致上面程序最终结果的不准确。
如果要保证原子性的话可以使用synchronize关键字，其可以保证原子性和内存可见性（但是不具备有禁止指令重排序的语义，这也是为什么double-check的单例模式中，实例要用volatile修饰的原因）；当然你也可以使用JUC包的原子类AtomicInteger之类的。
如果单靠volatile和synchronized来维持程序的有序性的话，那么难免会变得有些繁琐。然而大部分时候我们并不需要这样做，因为Java中有一个“先行发生原则”：如果操作A先行发生于操作B，那么进行B操作之前A操作的变化都能被B操作观察到，也就是说B能看到A对变量进行的修改。 这里的先后指的是执行顺序的先后，与时间无关。例如在下面伪代码中：
// 在线程A执行,定为A操作
i = 0;
// 线程B执行，定义为B操作
j = i;
// 线程C执行，定义为C操作
i = 1;假设A操作先于B操作发生，暂时忽略C操作，那么最终得到的结果必定是i = j = 1；但是如果此时加入C操作，并且跟A、B操作没有确定先行发生关系，那么最终的结果就变成了不确定，因为C可能在B之前执行也可能在B之后执行，所以此时就会出现数据不准确的情况。如果一开始没有A操作先行于B操作这个前提的话，那么就算没有C操作，结果也是不确定的。
当然，符合先行发生原则的并不一定按照这个规则来执行，只有在操作之间会有依赖的时候（即下一个操作用到上个操作的变量），此时的先行发生原则才一定适用。例如在下面的伪代码中，虽然符合先行发生原则，但是也不保证能有序执行。
// 同一线程执行以下操作
// A操作
int i = 0;
// B操作
int j = 1;这里完全符合程序次序规则（先行发生原则的一种），但是两个操作之间并没有依赖，所以虚拟机完全可以对其进行重排序，使得B操作在A操作之前执行，当然这对程序的正确性并没有影响。
那么该如何判断是否符合先行发生原则呢？就连前面的例子都是通过假设来得出先行发生的。莫慌，Java内存模型为我们提供一些规则，只要符合这些规则之一，那就符合先行发生原则。可以类比为先行发生原则为接口，下面的规则则为实现此接口的实现类。
线程启动规则：一个线程的start()方法先行发生于该线程的每一个动作，也就是说线程的start()方法要先于该线程的run()方法中的任何操作。如下面例子，我在线程A中改变了共享变量i的值，然后在启动B线程，B线程中run方法是读取并打印i的值，执行1W次，最终的结果读取到的都为1：
public static int i = 0;
public static void main(String[] args) {
for (int k = 0; k < 10000; k++) testThread();
}
public static void testThread() {
Thread threadB = new Thread(() -> {
System.err.println("线程B中i的值为：" + i);
System.err.println("线程B执行结束");
});
new Thread(() -> {
i = 1;
// 在修改了共享变量i的值后，启动线程B
threadB.start();
System.err.println("线程A中执行完之后i的值为：" + i);
}).start();
} 结果图：
线程终止规则：线程的所有操作先行于该线程的终止检测，也就是先于join()方法执行。如下面代码中，我在A线程对共享变量i执行100W的自增，再执行100W-1的自减，执行1000次左右，最终join的所有结果都一定是1。
public static int i = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 执行1000次
for (int k = 0; k < 1000; k++) {
i = 0;
testThread();
}
}
public static void testThread() throws InterruptedException {
Thread threadA = new Thread(() -> {
int k = 0;
while (k++ < 100 * 100 * 100) {
i++;
}
while (--k > 1) {
i--;
}
System.err.println("线程A中执行完之后i的值为：" + i);
});
threadA.start();
// 加上下面这段代码的话，join之前读到的i可能为0也可能大于0(不一定是1)，原因是变量i主内存的read和write操作没有固定顺序
// TimeUnit.NANOSECONDS.sleep(1);
System.out.println("主线程中开启线程A后i的值为：" + i);
// 线程A终止
threadA.join();
// join之后的结果一定为1
System.err.println("Join之后i的值为：" + i);
}结果图：
这8种就是Java提供的不需要任何同步器的自然规则了，只要符合在8条之一，那么就符合先行发生原则；反之，则不然。可以通过下面的例子理解：
// 对象中有一个变量i
private int i = 0;
public int getI() {
return i;
}
public void setI(int i) {
this.i = i;
}
// 在线程A执行set操作A
setI(1);
// 在线程B执行相同对象的get操作B
int j = getI();我们假设在时间上A操作先执行，然后再接着执行B操作，那么B得到的i是多少呢？
我们将上面的规则一个个的往里套，不同线程，程序次序规则OUT；没有加锁和volatile关键字，管程锁定和volatile变量规则OUT；关于线程的三个规则和对象终止规则也不符合，OUT；最后一个更不用提，OUT；综上，这个操作并不符合先行发生原则，所以这个操作是没法保证的，也就是说B得到的变量i为1为0都有可能，即是线程不安全的。所以判断线程是否安全的依据是先行发生原则，跟时间顺序并没有太大的关系。
像上面这种情况要修正的话，使其符合其中一条规则即可，例如加上volatile关键字或者加锁（同一把锁）都可以解决这个问题。