大家都知道，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，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。
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。
在併發編程中，我們通常會遇到以下三個問題：原子性問題，可見性問題，有序性問題。我們先看具體看一下這三個概念：
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的過程不會被任何因素打斷，要麼就都不執行。
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。
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 i = 0;
boolean flag = false;
i = 1; //語句1
flag = true; //語句2
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（Instruction Reorder）。
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。
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？再看下面一個例子：
int a = 10; //語句1
int r = 2; //語句2
a = a + 3; //語句3
r = a*a; //語句4
這段代碼有4個語句，那麼可能的一個執行順序是：
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。
也就是說，要想併發程序正確地執行，必須要保證原子性、可見性以及有序性。只要有一個沒有被保證，就有可能會導致程序運行不正確。
爲了獲得較好的執行性能，Java內存模型並沒有限制執行引擎使用處理器的寄存器或者高速緩存來提升指令執行速度，也沒有限制編譯器對指令進行重排序。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。
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
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。
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”。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）：
- 程序次序規則：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的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
深入剖析volatile關鍵字
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。
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：
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：
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：
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：
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。
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。
原理：
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。
下面列舉幾個Java中使用volatile的幾個場景。
1.狀態標記量
volatile boolean flag = false;
while(!flag){
doSomething();
}
public void setFlag() {
flag = true;
}
volatile boolean inited = false;
//線程1:
context = loadContext();
inited = true;
//線程2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);
2.double check
我們需要對 instance 進行第二次檢查，目的是避開過多的同步（因爲這裏的同步只需在第一次創建實例時才同步，一旦創建成功，以後獲取實例時就不需要同獲取鎖了），但在Java中行不通，因爲同步塊外面的if (instance == null)可能看到已存在，但不完整的實例。JDK5.0以後版本若instance爲volatile則可行：
public class Singleton {
private volatile static Singleton instance = null;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {// 1
if (instance == null) {// 2
instance = new Singleton();// 3
}
}
}
return instance;
}
}
爲解釋該問題，需要重新考察上述清單中的 //3 行。此行代碼創建了一個 Singleton 對象並初始化變量 instance 來引用此對象。這行代碼的問題是：在 Singleton 構造函數體執行之前，變量 instance 可能成爲非 null 的，即賦值語句在對象實例化之前調用，此時別的線程得到的是一個還會初始化的對象，這樣會導致系統崩潰。
什麼？這一說法可能讓您始料未及，但事實確實如此。在解釋這個現象如何發生前，請先暫時接受這一事實，我們先來考察一下雙重檢查鎖定是如何被破壞的。假設代碼執行以下事件序列：
1、線程 1 進入 getInstance() 方法。
2、由於 instance 爲 null，線程 1 在 //1 處進入 synchronized 塊。
3、線程 1 前進到 //3 處，但在構造函數執行之前，使實例成爲非 null。
4、線程 1 被線程 2 預佔。
5、線程 2 檢查實例是否爲 null。因爲實例不爲 null，線程 2 將 instance 引用返回給一個構造完整但部分初始化了的 Singleton 對象。
6、線程 2 被線程 1 預佔。
7、線程 1 通過運行 Singleton 對象的構造函數並將引用返回給它，來完成對該對象的初始化。
爲展示此事件的發生情況，假設代碼行 instance =new Singleton(); 執行了下列僞代碼：
mem = allocate(); //爲單例對象分配內存空間.
instance = mem; //注意，instance 引用現在是非空，但還未初始化
ctorSingleton(instance); //爲單例對象通過instance調用構造函數
這段僞代碼不僅是可能的，而且是一些 JIT 編譯器上真實發生的。執行的順序是顛倒的，但鑑於當前的內存模型，這也是允許發生的。JIT 編譯器的這一行爲使雙重檢查鎖定的問題只不過是一次學術實踐而已。