一 理解java內存模型之前的知識補充
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，勢必涉及到數據的讀取和寫入。由於程序運行過程中的臨時數據是存放在主存（物理內存）當中的，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跟CPU執行指令的速度比起來要慢的多，因此如果任何時候對數據的操作都要通過和內存的交互來進行，會大大降低指令執行的速度。因此在CPU裏面就有了高速緩存。
也就是，當程序在運行過程中，會將運算需要的數據從主存複製一份到CPU的高速緩存當中，那麼CPU進行計算時就可以直接從它的高速緩存讀取數據和向其中寫入數據，當運算結束之後，再將高速緩存中的數據刷新到主存當中。舉個簡單的例子，比如下面的這段代碼：
1 | i = i + 1; |
當線程執行這個語句時，會先從主存當中讀取i的值，然後複製一份到高速緩存當中，然後CPU執行指令對i進行加1操作，然後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。
這個代碼在單線程中運行是沒有任何問題的，但是在多線程中運行就會有問題了。在多核CPU中，每條線程可能運行於不同的CPU中，因此每個線程運行時有自己的高速緩存（對單核CPU來說，其實也會出現這種問題，只不過是以線程調度的形式來分別執行的）。本文我們以多核CPU爲例。
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，那麼我們希望兩個線程執行完之後i的值變爲2。但是事實會是這樣嗎？
可能存在下面一種情況：初始時，兩個線程分別讀取i的值存入各自所在的CPU的高速緩存當中，然後線程1進行加1操作，然後把i的最新值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1操作之後，i的值爲1，然後線程2把i的值寫入內存。
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。
也就是說，如果一個變量在多個CPU中都存在緩存（一般在多線程編程時纔會出現），那麼就可能存在緩存不一致的問題。
二.Java內存模型（Java Memory Model，JMM）
下面我們來看一下Java內存模型，在Java虛擬機規範中試圖定義一種Java內存模型（Java Memory Model，JMM）來屏蔽各個硬件平臺和操作系統的內存訪問差異，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。那麼Java內存模型規定了哪些東西呢，它定義了程序中變量的訪問規則，往大一點說是定義了程序執行的次序也就是說，在java內存模型中，也會存在緩存一致性問題和指令重排序的問題。
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。
也就是說：線程想操作變量需要先把變量複製一份到自己的工作內存中，但是修改後並不一定會立即把修改後的值送到主存中，但是volat修飾的變量因爲（volatile自帶了編譯器屏障的功能，總能拿到內存中的最新值。），修改後會立即送到主存中。
多線程的內存模型：main memory（主存）、working memory（線程棧），在處理數據時，線程會把值從主存load到本地棧，完成操作後再save回去(volatile關鍵詞的作用：每次針對該變量的操作都激發一次load and save)。
舉個簡單的例子：在java中，執行下面這個語句：
1 | 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。
上面一句話雖然看起來簡單，但是理解起來並不是那麼容易。看下面一個例子i：
請分析以下哪些操作是原子性操作：
1 2 3 4 | x = 10; //語句1 y = x; //語句2 x++; //語句3 x = x + 1; //語句4 |
咋一看，有些朋友可能會說上面的4個語句中的操作都是原子性操作。其實只有語句1是原子性操作，其他三個語句都不是原子性操作。
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++和 x = x+1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。
不過這裏有一點需要注意：在32位平臺下，對64位數據的讀取和賦值是需要通過兩個操作來完成的，不能保證其原子性。但是好像在最新的JDK中，JVM已經保證對64位數據的讀取和賦值也是原子性操作了。
從上面可以看出，Java內存模型只保證了基本讀取和賦值是原子性操作，如果要實現更大範圍操作的原子性，可以通過synchronized和Lock來實現。由於synchronized和Lock能夠保證任一時刻只有一個線程執行該代碼塊，那麼自然就不存在原子性問題了，從而保證了原子性。
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。
另外，通過synchronized和Lock也能夠保證可見性，synchronized和Lock能保證同一時刻只有一個線程獲取鎖然後執行同步代碼，並且在釋放鎖之前會將對變量的修改刷新到主存當中。因此可以保證可見性。
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”（volatile自帶了編譯器屏障的功能，總能拿到內存中的最新值。）（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。
四.深入剖析volatile關鍵字
1.volatile關鍵字的兩層語義
一旦一個共享變量（類的成員變量、類的靜態成員變量）被volatile修飾之後，那麼就具備了兩層語義：
1）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。
2）禁止進行指令重排序。
先看一段代碼，假如線程1先執行，線程2後執行：
1 2 3 4 5 6 7 8 | //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，也許在大多數時候，這個代碼能夠把線程中斷，但是也有可能會導致無法中斷線程（雖然這個可能性很小，但是隻要一旦發生這種情況就會造成死循環了）。
下面解釋一下這段代碼爲何有可能導致無法中斷線程。在前面已經解釋過，每個線程在運行過程中都有自己的工作內存，那麼線程1在運行的時候，會將stop變量的值拷貝一份放在自己的工作內存當中。
那麼當線程2更改了stop變量的值之後，不一定的立即把寫入主存當中，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。
那麼在線程2修改stop值時（當然這裏包括2個操作，修改線程2工作內存中的值，然後將修改後的值寫入內存），會使得線程1的工作內存中緩存變量stop的緩存行無效，然後線程1讀取時，發現自己的緩存行無效，它會等待緩存行對應的主存地址被更新之後，然後去對應的主存讀取最新的值。
那麼線程1讀取到的就是最新的正確的值。
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？
下面看一個例子：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 | 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); } } |
大家想一下這段程序的輸出結果是多少？也許有些朋友認爲是10000。但是事實上運行它會發現每次運行結果都不一致，都是一個小於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。
把上面的代碼改成以下任何一種都可以達到效果：
採用synchronized：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 | public class Test { public int inc = 0;
public synchronized 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); } } |
採用Lock：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 | public class Test { public int inc = 0; Lock lock = new ReentrantLock();
public void increase() { lock.lock(); try { inc++; } finally{ lock.unlock(); } }
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); } } |
採用AtomicInteger：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 | public class Test { public AtomicInteger inc = new AtomicInteger();
public void increase() { inc.getAndIncrement(); }
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); } } |
在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作類，即對基本數據類型的 自增（加1操作），自減（減1操作）、以及加法操作（加一個數），減法操作（減一個數）進行了封裝，保證這些操作是原子性操作。atomic是利用CAS來實現原子性操作的（Compare And Swap），CAS實際上是利用處理器提供的CMPXCHG指令實現的，而處理器執行CMPXCHG指令是一個原子性操作。
3.volatile能保證有序性嗎？
在前面提到volatile關鍵字能禁止指令重排序，所以volatile能在一定程度上保證有序性。
volatile關鍵字禁止指令重排序有兩層意思：
1）當程序執行到volatile變量的讀操作或者寫操作時，在其前面的操作的更改肯定全部已經進行，且結果已經對後面的操作可見；在其後面的操作肯定還沒有進行；
2）在進行指令優化時，不能將在對volatile變量訪問的語句放在其後面執行，也不能把volatile變量後面的語句放到其前面執行。
可能上面說的比較繞，舉個簡單的例子：
1 2 3 4 5 6 7 8 | ////x、y爲非volatile變量 //flag爲volatile變量
x = 2; //語句1 y = 0; //語句2 flag = true; //語句3 x = 4; //語句4 y = -1; //語句5
|
由於flag變量爲volatile變量，那麼在進行指令重排序的過程的時候，不會將語句3放到語句1、語句2前面，也不會講語句3放到語句4、語句5後面。但是要注意語句1和語句2的順序、語句4和語句5的順序是不作任何保證的。
並且volatile關鍵字能保證，執行到語句3時，語句1和語句2必定是執行完畢了的，且語句1和語句2的執行結果對語句3、語句4、語句5是可見的。
那麼我們回到前面舉的一個例子：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | //線程1: context = loadContext(); //語句1 inited = true; //語句2
//線程2: while(!inited ){ sleep() } doSomethingwithconfig(context); |
前面舉這個例子的時候，提到有可能語句2會在語句1之前執行，那麼久可能導致context還沒被初始化，而線程2中就使用未初始化的context去進行操作，導致程序出錯。
這裏如果用volatile關鍵字對inited變量進行修飾，就不會出現這種問題了，因爲當執行到語句2時，必定能保證context已經初始化完畢。
4.volatile的原理和實現機制
前面講述了源於volatile關鍵字的一些使用，下面我們來探討一下volatile到底如何保證可見性和禁止指令重排序的。
下面這段話摘自《深入理解Java虛擬機》：
“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：
1）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；
2）它會強制將對緩存的修改操作立即寫入主存；
3）如果是寫操作，它會導致其他CPU中對應的緩存行無效。
五.爲什麼要設計volatile關鍵字
1 我們知道當一個共享變量被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。也就是volatile修飾的變量具有可見性和順序性。
2synchronized關鍵字是防止多個線程同時執行一段代碼，那麼就會很影響程序執行效率，而volatile關鍵字在某些情況下性能要優於synchronized，但是要注意volatile關鍵字是無法替代synchronized關鍵字的，因爲volatile關鍵字無法保證操作的原子性。但是volatile的效率比synchronized關鍵字的高。
通常來說，使用volatile必須具備以下2個條件：
1）對變量的寫操作不依賴於當前值
2）該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中
實際上，這些條件表明，可以被寫入 volatile 變量的這些有效值獨立於任何程序的狀態，包括變量的當前狀態。
事實上，我的理解就是上面的2個條件需要保證操作是原子性操作，才能保證使用volatile關鍵字的程序在併發時能夠正確執行。
下面列舉幾個Java中使用volatile的幾個場景。
1.狀態標記量
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | volatile boolean flag = false;
while(!flag){ doSomething(); }
public void setFlag() { flag = true; } |
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 | volatile boolean inited = false; //線程1: context = loadContext(); inited = true;
//線程2: while(!inited ){ sleep() } doSomethingwithconfig(context); |
2.double check
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 | class Singleton{ private volatile static Singleton instance = null;
private Singleton() {
}
public static Singleton getInstance() { if(instance==null) { synchronized (Singleton.class) { if(instance==null) instance = new Singleton(); } } return instance; } } |