一、內存模型的相關概念
爲什麼要有高速緩存？
計算機在執行程序時，每條指令都是在CPU中執行的，而執行指令過程中，涉及到數據的讀寫。由於程序運行過程中的臨時數據是存放在主存（物理內存）中的，這時就存在一個問題，由於CPU執行速度很快，而從內存讀取數據和向內存寫入數據的過程比CPU執行指令速度慢得多，因此如果對數據的操作都通過內容進行交互的話，會大大降低指令中心的速度。因此CPU裏就有個高速緩存。
也就是，程序在運行過程中，會將運算需要的數據從主存賦值一份到CPU的高速緩存當中，CPU進行計算時就可以直接從它的高速緩存讀寫數據，當運算結束後，再將高速緩存中的數據刷新到主存當中。舉個簡單的例子如下：
i = i + 1; 當線程執行這個語句時，會先從主存中讀取i的值，然後複製一份到高速緩存中，然後當CPU執行指令對i進行加1操作，將數據寫入高速緩存，最後將高速緩存中i最新的值刷新到主存當中。
這段代碼在單線程中是沒有問題的，但是在多線程中就會有問題，每個線程運行時都有自己的高速緩存。比如同時有2個線程執行這段代碼，假如初始時i的值爲0，兩個線程分別讀取i的值存入各自所在的CPU的高速緩存中，然後線程1進行加一操作把1寫入到內存。此時線程2的高速緩存當中i的值還是0，進行加一操作後i爲1，然後線程2把i的值放入內存。
最終結果i的值是1，而不是2。這就是著名的緩存一致性問題。通常稱這種被多個線程訪問的變量爲共享變量。
爲了解決緩存不一致性問題，通常來說有以下2種解決方法：
- 通過在總線加LOCK#鎖的方式
- 通過緩存一致性協議
這2種方式都是硬件層面上提供的方式。
在早期的CPU當中，是通過在總線上加LOCK#鎖的形式來解決緩存不一致的問題。因爲CPU和其他部件進行通信都是通過總線來進行的，如果對總線加LOCK#鎖的話，也就是說阻塞了其他CPU對其他部件訪問（如內存），從而使得只能有一個CPU能使用這個變量的內存。比如上面例子中 如果一個線程在執行 i = i +1，如果在執行這段代碼的過程中，在總線上發出了LCOK#鎖的信號，那麼只有等待這段代碼完全執行完畢之後，其他CPU才能從變量i所在的內存讀取變量，然後進行相應的操作。這樣就解決了緩存不一致的問題。
但是上面的方式會有一個問題，由於在鎖住總線期間，其他CPU無法訪問內存，導致效率低下。
所以就出現了緩存一致性協議。最出名的就是Intel 的MESI協議，MESI協議保證了每個緩存中使用的共享變量的副本是一致的。它核心的思想是：當CPU寫數據時，如果發現操作的變量是共享變量，即在其他CPU中也存在該變量的副本，會發出信號通知其他CPU將該變量的緩存行置爲無效狀態，因此當其他CPU需要讀取這個變量時，發現自己緩存中緩存該變量的緩存行是無效的，那麼它就會從內存重新讀取。
二、併發編程中的三個概念
1、原子性
原子性：即一個操作或者多個操作，要麼全部執行並且執行過程不會被任何因素打斷，要麼就都不執行。
一個很經典的例子就是銀行賬戶轉賬問題：
比如從賬戶A向賬戶B轉1000元，那麼必然包括2個操作：從賬戶A減去1000元，往賬戶B加上1000元。
2、可見性
可見性是指當多個線程訪問同一個變量時，一個線程修改了這個變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。舉例如下：
//線程1執行的代碼
int i = 0;
i = 10;
//線程2執行的代碼
j = i; 假若執行線程1的是CPU1，執行線程2的是CPU2。由上面的分析可知，當線程1執行 i =10這句時，會先把i的初始值加載到CPU1的高速緩存中，然後賦值爲10，那麼在CPU1的高速緩存當中i的值變爲10了，卻沒有立即寫入到主存當中。
此時線程2執行 j = i，它會先去主存讀取i的值並加載到CPU2的緩存當中，注意此時內存當中i的值還是0，那麼就會使得j的值爲0，而不是10.
這就是可見性問題，線程1對變量i修改了之後，線程2沒有立即看到線程1修改的值。
3、有序性
有序性：即程序執行的順序按照代碼的先後順序執行。舉個簡單的例子，看下面這段代碼：
int a = 10; //語句1
int r = 2; //語句2
a = a + 3; //語句3
r = a*a; //語句4 上面代碼定義了一個int型變量，定義了一個boolean類型變量，然後分別對兩個變量進行賦值操作。從代碼順序上看，語句1是在語句2前面的，那麼JVM在真正執行這段代碼的時候會保證語句1一定會在語句2前面執行嗎？不一定，爲什麼呢？這裏可能會發生指令重排序。
下面解釋一下什麼是指令重排序，一般來說，處理器爲了提高程序運行效率，可能會對輸入代碼進行優化，它不保證程序中各個語句的執行先後順序同代碼中的順序一致，但是它會保證程序最終執行結果和代碼順序執行的結果是一致的。
比如上面的代碼中，語句1和語句2誰先執行對最終的程序結果並沒有影響，那麼就有可能在執行過程中，語句2先執行而語句1後執行。
但是要注意，雖然處理器會對指令進行重排序，但是它會保證程序最終結果會和代碼順序執行結果相同，那麼它靠什麼保證的呢？
上面那段代碼執行順序有可能是語句2 語句1 語句3 語句4，那麼可不可能是這個執行順序呢： 語句2 語句1 語句4 語句3？不可能，因爲處理器在進行重排序時是會考慮指令之間的數據依賴性，如果一個指令Instruction 2必須用到Instruction 1的結果，那麼處理器會保證Instruction 1會在Instruction 2之前執行。
雖然重排序不會影響單個線程內程序執行的結果，但是多線程呢？下面看一個例子：
//線程1:
context = loadContext(); //語句1
inited = true; //語句2
//線程2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context); 上面代碼中，由於語句1和語句2沒有數據依賴性，因此可能會被重排序。假如發生了重排序，在線程1執行過程中先執行語句2，而此是線程2會以爲初始化工作已經完成，那麼就會跳出while循環，去執行doSomethingwithconfig(context)方法，而此時context並沒有被初始化，就會導致程序出錯。
從上面可以看出，指令重排序不會影響單個線程的執行，但是會影響到線程併發執行的正確性。
三、Java內存模型
在java虛擬機規範中試圖定義一種java內存模型，來屏蔽各個硬件平臺和操作系統的內容訪問差異，以實現讓java程序在各種平臺下都能達到一致的內存訪問效果。Java內存模型規定所有的變量都是存在主存當中（類似於前面說的物理內存），每個線程都有自己的工作內存（類似於前面的高速緩存）。線程對變量的所有操作都必須在工作內存中進行，而不能直接對主存進行操作。並且每個線程不能訪問其他線程的工作內存。
舉個簡單的例子：在java中，執行下面這個語句：
i = 10; 執行線程必須先在自己的工作線程中對變量i所在的緩存行進行賦值操作，然後再寫入主存當中。而不是直接將數值10寫入主存當中。
那麼Java語言 本身對 原子性、可見性以及有序性提供了哪些保證呢？
1、原子性
在Java中，對基本數據類型的變量的讀取和賦值操作是原子性操作，即這些操作是不可被中斷的，要麼執行，要麼不執行。請分析以下哪些操作是原子性操作：
x = 10; //語句1
y = x; //語句2
x++; //語句3 語句1是直接將數值10賦值給x，也就是說線程執行這個語句的會直接將數值10寫入到工作內存中。
語句2實際上包含2個操作，它先要去讀取x的值，再將x的值寫入工作內存，雖然讀取x的值以及 將x的值寫入工作內存 這2個操作都是原子性操作，但是合起來就不是原子性操作了。
同樣的，x++包括3個操作：讀取x的值，進行加1操作，寫入新的值。所以上面4個語句只有語句1的操作具備原子性。
也就是說，只有簡單的讀取、賦值（而且必須是將數字賦值給某個變量，變量之間的相互賦值不是原子操作）纔是原子操作。
2、可見性
對於可見性，Java提供了volatile關鍵字來保證可見性。
當一個共享變量被volatile修飾時，它會保證修改的值會立即被更新到主存，當有其他線程需要讀取時，它會去內存中讀取新值。
而普通的共享變量不能保證可見性，因爲普通共享變量被修改之後，什麼時候被寫入主存是不確定的，當其他線程去讀取時，此時內存中可能還是原來的舊值，因此無法保證可見性。
3、有序性
在Java內存模型中，允許編譯器和處理器對指令進行重排序，但是重排序過程不會影響到單線程程序的執行，卻會影響到多線程併發執行的正確性。
在Java裏面，可以通過volatile關鍵字來保證一定的“有序性”（具體原理在下一節講述）。另外可以通過synchronized和Lock來保證有序性，很顯然，synchronized和Lock保證每個時刻是有一個線程執行同步代碼，相當於是讓線程順序執行同步代碼，自然就保證了有序性。
另外，Java內存模型具備一些先天的“有序性”，即不需要通過任何手段就能夠得到保證的有序性，這個通常也稱爲 happens-before 原則。如果兩個操作的執行次序無法從happens-before原則推導出來，那麼它們就不能保證它們的有序性，虛擬機可以隨意地對它們進行重排序。
下面就來具體介紹下happens-before原則（先行發生原則）：
- 程序次序原則：一個線程內，按照代碼順序，書寫在前面的操作先行發生於書寫在後面的操作
- 鎖定規則：一個unLock操作先行發生於後面對同一個鎖額lock操作
- volatile變量規則：對一個變量的寫操作先行發生於後面對這個變量的讀操作
- 傳遞規則：如果操作A先行發生於操作B，而操作B又先行發生於操作C，則可以得出操作A先行發生於操作C
- 線程啓動規則：Thread對象的start()方法先行發生於此線程的每個一個動作
- 線程中斷規則：對線程interrupt()方法的調用先行發生於被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發生
- 線程終結規則：線程中所有的操作都先行發生於線程的終止檢測，我們可以通過Thread.join()方法結束、Thread.isAlive()的返回值手段檢測到線程已經終止執行
- 對象終結規則：一個對象的初始化完成先行發生於他的finalize()方法的開始
這8條規則中，前4條規則是比較重要的，後4條規則都是顯而易見的。
下面我們來解釋一下前4條規則：
第一條規則提到“書寫在前面的操作先行發生於書寫在後面的操作”，這個看起來執行的順序是按照代碼順序執行的，雖然虛擬機會進行重排序，但是最終執行的結果是與程序順序執行的結果一致的，它只會對不存在數據依賴性的指令進行重排序。因此，在單個線程中，程序執行看起來是有序執行的。但是無法保證在多線程中執行的正確性。
第二條規則也比較容易理解，也就是說無論在單線程中還是多線程中，同一個鎖如果出於被鎖定的狀態，那麼必須先對鎖進行了釋放操作，後面才能繼續進行lock操作。
第三條規則是一條比較重要的規則，也是後文將要重點講述的內容。直觀地解釋就是，如果一個線程先去寫一個變量，然後一個線程去進行讀取，那麼寫入操作肯定會先行發生於讀操作。
第四條規則實際上就是體現happens-before原則具備傳遞性。
四、深入剖析volatile關鍵字
1、volatile關鍵字的兩層語義
如果一個變量被volatile修改後，那麼就具備了兩層語義：
- 保證了不同線程對這個變量進行操作時的可見性，即一個線程修改了某個變量的值，這新值對其他線程來說是立即可見的。
- 禁止進行指令重排序。
//線程1
boolean stop = false;
while(!stop){
doSomething();
}
//線程2
stop = true; 很多人在中斷線程時可能都會採用這種標記辦法。但是事實上，這段代碼會完全運行正確麼？即一定會將線程中斷麼？不一定。那麼當線程2更改了stop變量的值之後，但是還沒來得及寫入主存當中，線程2轉去做其他事情了，那麼線程1由於不知道線程2對stop變量的更改，因此還會一直循環下去。
但是用volatile修飾之後就變得不一樣了：
第一：使用volatile關鍵字會強制將修改的值立即寫入主存；
第二：使用volatile關鍵字的話，當線程2進行修改時，會導致線程1的工作內存中緩存變量stop的緩存行無效（反映到硬件層的話，就是CPU的L1或者L2緩存中對應的緩存行無效）；
第三：由於線程1的工作內存中緩存變量stop的緩存行無效，所以線程1再次讀取變量stop的值時會去主存讀取。
2、volatile保證原子性嗎？
從上面知道volatile關鍵字保證了操作的可見性，但是volatile能保證對變量的操作是原子性嗎？
public class Test {
public volatile int inc = 0;
public void increase() {
inc++;
}
public static void main(String[] args) {
final Test test = new Test();
for(int i=0;i<10;i++){
new Thread(){
public void run() {
for(int j=0;j<1000;j++)
test.increase();
};
}.start();
}
while(Thread.activeCount()>1) //保證前面的線程都執行完
Thread.yield();
System.out.println(test.inc);
}
} 想一下這段程序的輸出結果是多少？也許認爲是10000。但上面的運行結果每次都不一致，小於10000的數字。
可能有的朋友就會有疑問，不對啊，上面是對變量inc進行自增操作，由於volatile保證了可見性，那麼在每個線程中對inc自增完之後，在其他線程中都能看到修改後的值啊，所以有10個線程分別進行了1000次操作，那麼最終inc的值應該是1000*10=10000。
這裏面就有一個誤區了，volatile關鍵字能保證可見性沒有錯，但是上面的程序錯在沒能保證原子性。可見性只能保證每次讀取的是最新的值，但是volatile沒辦法保證對變量的操作的原子性。
在前面已經提到過，自增操作是不具備原子性的，它包括讀取變量的原始值、進行加1操作、寫入工作內存。那麼就是說自增操作的三個子操作可能會分割開執行，就有可能導致下面這種情況出現：
假如某個時刻變量inc的值爲10，
線程1對變量進行自增操作，線程1先讀取了變量inc的原始值，然後線程1被阻塞了；
然後線程2對變量進行自增操作，線程2也去讀取變量inc的原始值，由於線程1只是對變量inc進行讀取操作，而沒有對變量進行修改操作，所以不會導致線程2的工作內存中緩存變量inc的緩存行無效，所以線程2會直接去主存讀取inc的值，發現inc的值時10，然後進行加1操作，並把11寫入工作內存，最後寫入主存。
然後線程1接着進行加1操作，由於已經讀取了inc的值，注意此時在線程1的工作內存中inc的值仍然爲10，所以線程1對inc進行加1操作後inc的值爲11，然後將11寫入工作內存，最後寫入主存。
那麼兩個線程分別進行了一次自增操作後，inc只增加了1。
解釋到這裏，可能有朋友會有疑問，不對啊，前面不是保證一個變量在修改volatile變量時，會讓緩存行無效嗎？然後其他線程去讀就會讀到新的值，對，這個沒錯。這個就是上面的happens-before規則中的volatile變量規則，但是要注意，線程1對變量進行讀取操作之後，被阻塞了的話，並沒有對inc值進行修改。然後雖然volatile能保證線程2對變量inc的值讀取是從內存中讀取的，但是線程1沒有進行修改，所以線程2根本就不會看到修改的值。
根源就在這裏，自增操作不是原子性操作，而且volatile也無法保證對變量的任何操作都是原子性的。首先對inc++進行等價轉換，方便解釋說明，是分爲三步的
int tmp = inc; //1
tmp = tmp + 1; //2
inc = tmp; //3兩個線程A、B，初始值inc = 0；當線程A執行到2時，此時tmp=1，與此同時，B線程執行完所有操作，也就是說主內存中inc=1，此時線程A中的inc已經是無效的地址了（這是volatile的工作機制，文章中已經說明），但此時，線程A中的inc有效無效都已經對tmp變量沒有任何影響了；此時線程A繼續執行第三步inc=tmp，此時發現inc的地址已經失效，也會從主內存中拷貝副本到A線程的運行內存中，也就說此時inc=1，執行inc=tmp後inc的值還是1，線程A將inc從線程內存中寫回主內存，線程A運行結束。線程B早就運行結束了。那麼此時主線程中的inc=1，就是文章中出現的問題。（這是原文的討論裏，我認爲對的）
4.volatile的原理和實現機制
“觀察加入volatile關鍵字和沒有加入volatile關鍵字時所生成的彙編代碼發現，加入volatile關鍵字時，會多出一個lock前綴指令”
lock前綴指令實際上相當於一個內存屏障（也成內存柵欄），內存屏障會提供3個功能：
- 它確保指令重排序時不會把其後面的指令排到內存屏障之前的位置，也不會把前面的指令排到內存屏障的後面；即在執行到內存屏障這句指令時，在它前面的操作已經全部完成；
- 它會強制將對緩存的修改操作立即寫入主存；
- 如果是寫操作，它會導致其他CPU中對應的緩存行無效。