併發概覽
併發編程背景概述[建議改成“併發編程背景概述”或者“CPU和內存發展概述”。]
在早期，計算機採用的都是馮諾依曼架構，即CPU-內存架構。運行在計算機上的程序也是順序執行的，當一個程序執行完，才能執行另一個。但很快發現順序執行效率非常低下，當一個程序被阻塞時，整個計算機都被阻塞。隨着計算機技術的發展，於是出現了多道程序設計，允許一個計算機可以同時運行多個進程，當一個進程被阻塞時可以讓出CPU允許其他進程執行。但是隨着CPU和內存的發展，CPU和內存之間的速度差越來越大，CPU等待內存I/O成爲了主要瓶頸。[s]於是在CPU和內存之間增加了高速緩存，高速緩存是和CPU綁定的。但隨着單個CPU的性能已經到達了物理極限，於是出現了多CPU架構，每個CPU都有自己的緩存。在多CPU架構中，每個CPU上都可以運行一個進程。相對來看CPU上進行進程切換是比較耗時的，因爲不同的進程對計算機資源的需求（內存，緩存，寄存器）差異很大，導致每次切換進程需要更換大量的計算機資源。於是出現了線程，線程屬於進程。在進程內部可以劃分出多個線程，當一個線程被阻塞時，可以切換到其他線程。[描述突兀。可以和進程進行對比描述。]因爲線程屬於進程，而且比進程更加輕量級，線程之間切換更加高效。
高速緩存
緩存：這裏的緩存指的是物理硬件緩存，並不是軟件組件緩存。緩存會把經常讀取或將要讀取的數據存儲起來，當CPU讀取這些數據時可以從緩存裏進行讀取，當CPU寫數據時，也不會直接對內存進行寫入，而是將數據寫入緩存，再從緩存寫入到內存。CPU對緩存訪問要比對內存訪問快的多。
進程概念
進程：一個正在運行的程序就是一個進程[請解釋的再具體一些。]，例如運行一個hello word就是一個進程，同時運行兩個hello word，就是兩個進程。
線程概念
線程：CPU調度的最小單位。當一個進程被阻塞時，可以不切換進程，而是讓該進程的線程進行切換。
併發概念
併發分爲進程併發和線程併發。進程併發指的是多個進程都在運行，線程併發指的是多個線程都在運行。併發是有一個閾值的，當併發數小於閾值時併發可以提高CPU執行效率，當併發數超過閾值時，更多的併發並不能提高CPU效率，反而會浪費計算機資源。
併發問題
進程併發不會導致數據錯誤（進程之間基本不會共享數據），但線程併發如果不對共享資源進行訪問控制可能會引發數據錯誤。假設這樣一種場景， foo=0，線程A和線程B要對foo執行foo++，線程A先執行，但線程A還沒有執行完畢，線程B也開始執行，因此線程B讀到的值也是foo=0,線程A執行完畢foo=1， 線程B執行完畢foo=1.這樣就產生了髒數據，但期望值是foo=2.
Java內存模型
JMM
java是運行在java虛擬機（JVM）上的，但本質上還是運行在操作系統和硬件上的。Java早期的一個宣傳口號就是:”Write Once, Run Anywhere”。那如何實現呢?通過JVM對操作系統和硬件進行封裝，對計算機資源做了進一步的抽象和統一。在JVM中，就包含了對內存的抽象，也就是java內存模型JMM。JMM的作用就是屏蔽掉操作系統和硬件所導致的內存訪問的差異性。JMM定義了主存(Main Memory)和工作內存(Working Memory)，每條線程都有自己的工作內存。主存保存了各個線程的共享變量，工作內存存儲了對應線程所使用的共享變量的副本和本地變量。線程訪問共享變量時，是不能直接訪問主存的，線程只能訪問工作內存中的數據。工作內存可以訪問主存中的數據，工作內存可以類比爲計算機中的緩存(cache)。
圖2-1java內存模型
原子操作
原子在古希臘中指的是不可分割的最小物質，強調的是不可分割。原子操作指的是不可分割的操作，其他操作無法讀取到原子操作的中間狀態。
讀取數據
CPU訪問數據需要通過一系列的CPU指令。在JMM中訪問數據類似，也必須通過一系列的操作。線程訪問數據時需要通過以下8中操作，lock, unlock，read，load，use，assign，store，write每一種操作都是原子操作。例如線程A讀取數據，需要執行read，load兩個原子操作，但是在這兩個原子操作中間還可以發生其他原子操作。因此線程A讀取數據不是原子的。同樣進行寫數據，需要進行store和write操作，因此寫操作也不是原子操作。
指令重排序
指令流水
爲了提高CPU執行效率，將指令執行拆分爲了流水線結構。指令的執行分爲以下幾個步驟：指令讀取，指令編譯，讀取操作數，指令執行，寫結果。[可以具體說明一下。]當一條指令執行完指令讀取，然後執行指令編譯，另一條指令就可以執行編譯了。CPU將時間量化，將讀取一個指令字的最短時間規定爲CPU週期。假設CPU執行指令讀取，指令編譯，讀取操作數，指令執行，寫結果幾個操作分別需要一個CPU週期，那麼執行完這條執行需要佔用5個CPU週期。採用流水線結構之後，CPU可以一次讀入5條指令執行，相當於只佔用了一個CPU週期。
多級指令流水
CPU爲了進一步提高指令執行效率，採用了多級指令流水，即CPU內有多條指令流水線，每條指令流水線都可以執行多條指令。
多級指令流水3-1
亂序執行
採用多級指令流水雖然可以高效利地用CPU，但是也會導致一些問題。程序是順序執行的，一條指令執行完畢，纔可以執行另一條，但由於指令分佈在多條流水線上，後面的指令有可能先執行完畢。爲了保證程序的正確性，編譯器會禁止對某些指令進行亂序執行，比如邏輯結構，if，switch等等，因此在單線程的情況下亂序執行能夠保證正確，並提高效率。
但是在多線程的環境下，指令亂序執行仍然會導致錯誤。因爲在多線程情況下，一個線程的執行需要依‘觀察’另一個線程，考慮以下情況：
變量x=0，變量f=0，線程A中當f=0時，一直進行循環，f!=0是會print x，線程B中對x進行賦值，x=42,對f進行賦值，f=1。
線程A:
while (f==0);
// 插入內存屏障
print x;
線程B:
x = 42;
// 插入內存屏障
f = 1;
對於這段程序，期望值是x=42，但有可能輸出的不是42。線程B進行亂序執行，f=1先執行，然後線程A執行，檢測f!=0,print x=0;同樣線程A可能進行亂序執行，print x先執行，然後再執行f的檢查操作。
內存屏障
內存屏障（memory barrier）：該指令之前的操作執行完畢之後，纔可以執行該指令之後的操作。在單個CPU的情況內存屏障沒有什麼意義，但是在多CPU的情況下，就可以避免指令亂序執行導致的錯誤。上例中，可以在註釋處插入內存屏障來保證程序的正確性。內存屏障屬於CPU指令級別的操作，在高級程序語言中是無法直接使用，但高級語言會通過一些特性，進行隱式的調用，在java中就是volatile關鍵字。
Volatile
Volatile語義
Volatile關鍵字使用的非常少，很多開放人員都無法正確的使用它。線程訪問volatile修飾的變量時會遵循以下規則：
1進行多操作時，會把主存中的數據更新到工作內存中，然後從工作內存中讀取數據。
2進行寫操作時，會把數據寫入到工作內存中，然後從工作內存中再同步到主存中。
因此被volatile修飾的變量每次都可以讀取到最新的數據。但是並不能保證在多線程的情況下的正確性。考慮以下情況，foo=0, 線程A讀取foo=0, 線程B讀取foo=0，線程A執行foo++寫入工作內存，並刷新主存foo=1，線程B執行foo++寫入工作內存foo=1,並刷新主存foo=1，這樣仍然會產生髒數據。volatile本質上是實現了happens-before約束。
happens-before
happens-before：如果操作A先發生，然後操作B發生，操作B是會被操作A影響到的。這看起來和自然界的公理一樣。爲什麼說volatile實現了happens-before呢？雖然讀操作和寫操作是原子操作，但是JMM中有一個類似於緩存的概念—工作內存。工作內存並不會把數據實時的刷新到主存中，也不會從主存中實時的獲取數據。通過volatile的工作內存和主存之間的數據同步策略，可以實現happens-before。
volatile應用場景
volatile適用於這樣的多線程場景，至多隻有一個線程可以對volatile變量進行寫操作，其他線程只有讀操作。比如有一個多線程應用，在應用啓動的時候需要做大量的初始化和檢查操作，當這些操作執行完畢之後纔可以提供服務，可以稱之爲開關服務。
開關服務僞代碼
volatile switch = false;
public void run(){
while(!switch){
//do something
}
}
public void start(){
switch = true;
}
[缺少資源引用]結束語
計算機技術在不斷地發展，從經典的內存–CPU架構到內存–多級緩存–CPU架構，從單核到多核，從單指令執行到多級指令流水。每一次技術的升級都會極大的提升計算機性能，但對軟件設計也 要求更加苛刻。java是一門流行的高級程序語言，通過虛擬機的形式屏蔽掉了計算機硬件和操作系統的差異，然後提出了統一的主存–工作內存–線程模型。在java中會碰到擁有奇怪特性的volatile關鍵字。通過了解硬件特性和JMM，volatile關鍵字並沒有那麼詭異