1.硬件的效率與一致性

由於計算機的存儲設備與處理器的運算速度有幾個數量級的差別，而絕大多數的運算任務都要與內存交互，所以現代計算機系統不得不加入一層讀寫速度盡可能接近處理器運算速度的高速緩存來作為內存與處理器之間的緩沖：將運算需要使用到的數據復制到緩沖之中，讓運算能快速進行，當運算結束後再從緩存同步回內存之中，這樣處理器就無須等待緩慢的內存讀寫了。

基於高速緩存的存儲交互很好地解決了處理器與內存的速度矛盾，但是也為計算機系統帶來更多的復雜度，因為他引入了一個新的問題：緩存一致性。在多處理器系統中，每個處理器都有自己的高速緩存，而他們又共享同一主內存。為了解決一致性的問題，需要各個處理器訪問緩存時都遵循一些協議，在讀寫時要根據協議來操作，這類協議有MSI MESI MOSI Synapse Firefly及DragonProtocol等。不同架構的物理機器可以擁有不一樣的內存模型，java也有自己的內存模型（內存模型可以理解為在特定的操作協議下，對特定的內存或告訴緩存進行讀寫訪問的過程抽象）

除了增加高速緩存之外，為了使得處理器內部的運算單元能盡量充分利用，處理器可能會對輸入代碼進行亂序執行優化，處理器會在計算之後將亂序執行的結果重組，保證該結果與順序執行的順序一致，因此，若果存在一個計算任務依賴於另外一個計算任務的中間結果，那麽其順序性並不能靠代碼的先後順序來保證。

2.java內存模型

java定義內存模型是為了消除掉各種硬件和操作系統的內存訪問差異，以實現讓java程序在各種平臺上都能達到一致的訪問效果。定義Java內存模型並不是一件容易的事情，這個模型必須定義得足夠嚴謹，才能讓Java的並發操作不會產生歧義；但是，也必須得足夠寬松，使得虛擬機的實現能有足夠的自由空間去利用硬件的各種特性（寄存器、高速緩存等）來獲取更好的執行速度。經過長時間的驗證和修補，在JDK1.5發布後，Java內存模型就已經成熟和完善起來了。

①主內存和工作內存

Java內存模型的主要目標是定義程序中各個變量的訪問規則，即在虛擬機中將變量存儲到內存和從內存中取出變量這樣底層細節。此處的變量與Java編程時所說的變量不一樣，指包括了實例字段、靜態字段和構成數組對象的元素，但是不包括局部變量與方法參數，後者是線程私有的，不會被共享。

　　Java內存模型中規定了所有的變量都存儲在主內存（和物理硬件中的主內存名字一樣，兩者也可類比，但這只是虛擬機的一部分）中，每條線程還有自己的工作內存（可以與前面將的處理器的高速緩存類比），線程的工作內存中保存了該線程使用到的變量到主內存副本拷貝，線程對變量的所有操作（讀取、賦值）都必須在工作內存中進行，而不能直接讀寫主內存中的變量。不同線程之間無法直接訪問對方工作內存中的變量，線程間變量值的傳遞均需要在主內存來完成，線程、主內存和工作內存的交互關系如下圖所示，和上圖很類似。

這裏的主內存、工作內存與Java內存區域的Java堆、棧、方法區不是同一層次內存劃分。

② 內存間交互操作

　　關於主內存與工作內存之間的具體交互協議，即一個變量如何從主內存拷貝到工作內存、如何從工作內存同步到主內存之間的實現細節，Java內存模型定義了以下八種操作來完成，虛擬機實現時必須保證這八種操作都是原子的。：

• lock（鎖定）：作用於主內存的變量，把一個變量標識為一條線程獨占狀態。
• unlock（解鎖）：作用於主內存變量，把一個處於鎖定狀態的變量釋放出來，釋放後的變量才可以被其他線程鎖定。
• read（讀取）：作用於主內存變量，把一個變量值從主內存傳輸到線程的工作內存中，以便隨後的load動作使用
• load（載入）：作用於工作內存的變量，它把read操作從主內存中得到的變量值放入工作內存的變量副本中。
• use（使用）：作用於工作內存的變量，把工作內存中的一個變量值傳遞給執行引擎，每當虛擬機遇到一個需要使用變量的值的字節碼指令時將會執行這個操作。
• assign（賦值）：作用於工作內存的變量，它把一個從執行引擎接收到的值賦值給工作內存的變量，每當虛擬機遇到一個給變量賦值的字節碼指令時執行這個操作。
• store（存儲）：作用於工作內存的變量，把工作內存中的一個變量的值傳送到主內存中，以便隨後的write的操作。
• write（寫入）：作用於主內存的變量，它把store操作從工作內存中一個變量的值傳送到主內存的變量中。

　　如果要把一個變量從主內存中復制到工作內存，就需要按順尋地執行read和load操作，如果把變量從工作內存中同步回主內存中，就要按順序地執行store和write操作。Java內存模型只要求上述操作必須按順序執行，而沒有保證必須是連續執行。也就是read和load之間，store和write之間是可以插入其他指令的，如對主內存中的變量a、b進行訪問時，可能的順序是read a，read b，load b， load a。Java內存模型還規定了在執行上述八種基本操作時，必須滿足如下規則：

• 不允許read和load、store和write操作之一單獨出現
• 不允許一個線程丟棄它的最近assign的操作，即變量在工作內存中改變了之後必須同步到主內存中。
• 不允許一個線程無原因地（沒有發生過任何assign操作）把數據從工作內存同步回主內存中。
• 一個新的變量只能在主內存中誕生，不允許在工作內存中直接使用一個未被初始化（load或assign）的變量。即就是對一個變量實施use和store操作之前，必須先執行過了assign和load操作。
• 一個變量在同一時刻只允許一條線程對其進行lock操作，lock和unlock必須成對出現
• 如果對一個變量執行lock操作，將會清空工作內存中此變量的值，在執行引擎使用這個變量前需要重新執行load或assign操作初始化變量的值
• 如果一個變量事先沒有被lock操作鎖定，則不允許對它執行unlock操作；也不允許去unlock一個被其他線程鎖定的變量。
• 對一個變量執行unlock操作之前，必須先把此變量同步到主內存中（執行store和write操作）。

③對於volatile型變量的規則

volidate是最輕量級的同步機制。先來理解一下它：當一個變量定義為volidate以後，它將具備兩種特性，第一是保證此變量對所有線程的可見性，這裏的“可見性”是指當一條線程修改了這個變量的值，新值對於其他線程來說是可以立即得知的。而普通變量不能做到這一點，普通便利的值在縣城建傳遞需要通過主內存來完成，例如，線程A修改一個普通變量的值，然後向主內存進行回寫，另外一條線程B在線程A會寫完成了之後再從主內存中進行讀寫操作，新變量值才會對線程B可見。但是如果操作不是原子的，依然沒法保證volatile同步的正確性。只有在下述情況，才可以使用這個關鍵字：

• 對變量的寫入操作不依賴於該變量的當前值（比如a=0;a=a+1的操作，整個流程為a初始化為0，將a的值在0的基礎之上加1，然後賦值給a本身，很明顯依賴了當前值），或者確保只有單一線程修改變量。
• 該變量不會與其他狀態變量納入不變性條件中。（當變量本身是不可變時，volatile能保證安全訪問，比如雙重判斷的單例模式。但一旦其他狀態變量參雜進來的時候，並發情況就無法預知，正確性也無法保障）。

/**
 * 基於雙重判斷的單例模式
 */
public class Singleton {

    private volatile static Singleton instance;

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    public static void main(String[] args) {
            Singleton.getInstance();
    }
}

volatile還有個特性就是，可以禁止指令進行重排序優化。普通變量僅僅會保證在該方法的執行過程中所有以來復制結果的地方都能獲取到正確的結果，而不能保證變量賦值操作的順序與程序代碼中的執行順序一致。如下例子：

Map configOptions;
char [] configText;

//此變量必須定義為volatile
volatile boolean initialized = false;

//假設一下代碼在線程A中執行，模擬讀取配置信息，當讀取完成後，將initialized設置為true來通知其他線程配置可使用
configOptions = new HashMap();
configText = readConfigFile(fileName);
processConfigOptions(configText, configOptions);
initialized = true;

//假設以下代碼在線程B中執行，等待initialized 為true，代表線程A已經把配置信息初始化完成
while(!initialized ){
    sleep();
}
//使用線程A中初始化好的配置信息
doSomethingWithConfig();

如果initialized 沒有使用volatile修飾，就可能由於指令重排的優化，導致位於線程A中的最後一句代碼“initialized = true”被提前執行，這樣在線程B中使用配置信息的代碼就可能出現錯誤。

所以，volatile本身強大的地方就是他還能預防這種情況發生，雖然犧牲了一點性能，但是大大增強了程序的可靠性。但是記住，不要依賴於volatile，在合適的時候才使用他（上文已經說明），如果情況不合適，就使用傳統的synchronized關鍵字同步共享變量的訪問，用來保證程序正確性（這個關鍵字的性能會隨著jvm不斷完善而不斷提升，將來性能會慢慢逼近volatile）。

Java內存模型中對volatile變量定義的特殊規則：

• 在工作內存中，每次使用volatile變量前都必須從主內存中刷新最新的值，用於保證能看到其他線程對變量V所做的修改後的值。
• 在工作內存中，每次修改後的值都必須立刻同步回主內存中，用於保證其他線程可以看到自己對變量的修改。
• volatile修飾的變量不會被指令重排優化，保證代碼的執行順序與程序的順序相同。

4. 對於long和double行變量的特殊規則

對於64位的數據類型（long和double），在模型中特別定義；了一條寬松的規定：允許虛擬機將沒有被volatile修飾的64位數據的讀寫劃分為兩次32位的操作來進行，即允許虛擬機不保證64位數據類型的load、store、read和write這四個操作的原子性。

5. 原子性、可見性與有序性

• 原子性：由Java內存模型來直接保證的原子性變量操作包括read、load、assign、use、store和write這六個，我們可以大致的認為基本數據類型的訪問讀寫是具備原子性的（long和double除外）。Java代碼中的同步塊即synchronized關鍵字，因此在synchronized塊之間的操作也具備原子性。內部是通過字節碼指令monitorenter和monitorexit來實現。

• 可見性：就是當一個線程修改了共享變量的值，其他線程能夠立即得知這個修改。Java內存模型是通過在變量修改後將新值同步回主內存，在變量讀取前從主內存刷新變量值。關鍵字synchronized和final也能保證可見性。首先同步塊是因為對變量執行unlock操作之前，必須先把次變量同步回主內存中。而final關鍵字的可見性是指：被final修飾的字段在構造器中一旦被初始化完成，並且構造器沒有把this指針傳遞出去，那麽在其他線程中就能看見final字段的值。

• 有序性：用synchronized和volatile關鍵字來保證線程操作之間的有序性。volatile本省就包含禁止指令重排序的語義，而synchronized則是因為：一個變量在同一時刻只允許一條線程對齊進行lock操作。這個規則決定了持有同一個鎖的兩個同步塊只能串行的進入。

6. 先行發生原則

如果Java內存模型中所有的有序性都只靠volatile和synchronized來完成，那麽有一些操作將會變得很啰嗦。java內存模型中的一個重點原則——先行發生原則（Happens-Before），使用這個原則作為依據，來指導你判斷是否存在線程安全和競爭問題。

• 程序順序規則：在程序中，如果A操作在B操作之前（比如A代碼在B代碼上面，或者由A程序調用B程序），那麽在這個線程中，A操作將在B操作之前執行。
• 管理鎖定規則：一個unlock操作先於後面對同一個鎖的lock操作之前執行。
• volatile變量規則：對一個volatile變量的寫操作必須在對該變量的讀操作之前發生。
• 線程啟動規則：線程的Thread.start()必須在該線程所有其他操作之前發生。
• 線程終止規則：線程中所有操作都先行發生於該線程的終止檢測。可以通過Thread.join()方法結束、Thread.isAlive()的返回值判斷線程是否終止。
• 線程中斷規則：對線程interrupt()方法的調用必須在被中斷線程的代碼檢測到interrupt調用之前執行。
• 對象終結規則：對象的初始化（構造函數的調用）必須在該對象的finalize()方法完成。
• 傳遞性：如果A先行發生於B，B先行發生於C，那麽A先行發生於C。

接下來從下面這個例子感受一下“時間上的先後順序”“與”“先行發生”之間有什麽不同。

private int value = 0;
public void setValue(int value){
    this.value = value;
}
public int getValue(){
    return value;
}

假設存在線程A和B，線程A先調用setValue(1)，然後線程B調用了同一個對象的getValue()，那麽線程B返回的值是什麽？

分析：沒有同步塊—管程鎖定規則不適用；value沒有被volatile修飾，所以volatile變量規則不適用；後面的線程啟動、終止、中斷規則和對象終結規則也扯不上關系，所以我們無法確定這兩個線程誰先執行，因此我們說這裏的操作時線程不安全的。

如何修復呢？可以為set、get方法定義為synchronized方法，這樣可以使用管程鎖定規則；或者把value設定為volatile變量，由於set方法對value的修改不依賴value的原值，滿足volatile關鍵字使用場景。

2. Java與線程

線程也叫作輕量級進程，是大多現代操作系統的基本調度單位。在同一個進程中，多個線程共享內存空間，因此需要足夠的同步機制才能保證正常訪問。每個線程本身都有各自的程序計數器、棧和局部變量等。在java中使用線程調度的方式是搶占式的，需要由操作系統分配執行時間，線程本身無法決定（例如java中，只有Thread.yield()可以讓出自己的執行時間，但是並沒有提供可以主動獲取執行時間的操作）。雖然java中線程調度由系統執行，但是還是可以通過設置線程優先級來“建議”操作系統多給某些線程分配執行時間（然後，這並不一定就能保證高優先級的先執行）。

Java定義了如下幾種線程狀態，一個線程僅處於一個狀態：

java內存模型與線程