一、内存模型的相关概念
为什么要有高速缓存？
计算机在执行程序时，每条指令都是在CPU中执行的，而执行指令过程中，涉及到数据的读写。由于程序运行过程中的临时数据是存放在主存（物理内存）中的，这时就存在一个问题，由于CPU执行速度很快，而从内存读取数据和向内存写入数据的过程比CPU执行指令速度慢得多，因此如果对数据的操作都通过内容进行交互的话，会大大降低指令中心的速度。因此CPU里就有个高速缓存。
也就是，程序在运行过程中，会将运算需要的数据从主存赋值一份到CPU的高速缓存当中，CPU进行计算时就可以直接从它的高速缓存读写数据，当运算结束后，再将高速缓存中的数据刷新到主存当中。举个简单的例子如下：
i = i + 1;
当线程执行这个语句时，会先从主存中读取i的值，然后复制一份到高速缓存中，然后当CPU执行指令对i进行加1操作，将数据写入高速缓存，最后将高速缓存中i最新的值刷新到主存当中。
这段代码在单线程中是没有问题的，但是在多线程中就会有问题，每个线程运行时都有自己的高速缓存。比如同时有2个线程执行这段代码，假如初始时i的值为0，两个线程分别读取i的值存入各自所在的CPU的高速缓存中，然后线程1进行加一操作把1写入到内存。此时线程2的高速缓存当中i的值还是0，进行加一操作后i为1，然后线程2把i的值放入内存。
最终结果i的值是1，而不是2。这就是著名的缓存一致性问题。通常称这种被多个线程访问的变量为共享变量。
为了解决缓存不一致性问题，通常来说有以下2种解决方法：
- 通过在总线加LOCK#锁的方式
- 通过缓存一致性协议
这2种方式都是硬件层面上提供的方式。
在早期的CPU当中，是通过在总线上加LOCK#锁的形式来解决缓存不一致的问题。因为CPU和其他部件进行通信都是通过总线来进行的，如果对总线加LOCK#锁的话，也就是说阻塞了其他CPU对其他部件访问（如内存），从而使得只能有一个CPU能使用这个变量的内存。比如上面例子中 如果一个线程在执行 i = i +1，如果在执行这段代码的过程中，在总线上发出了LCOK#锁的信号，那么只有等待这段代码完全执行完毕之后，其他CPU才能从变量i所在的内存读取变量，然后进行相应的操作。这样就解决了缓存不一致的问题。
但是上面的方式会有一个问题，由于在锁住总线期间，其他CPU无法访问内存，导致效率低下。
所以就出现了缓存一致性协议。最出名的就是Intel 的MESI协议，MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。它核心的思想是：当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态，因此当其他CPU需要读取这个变量时，发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的，那么它就会从内存重新读取。
二、并发编程中的三个概念
1、原子性
原子性：即一个操作或者多个操作，要么全部执行并且执行过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。
一个很经典的例子就是银行账户转账问题：
比如从账户A向账户B转1000元，那么必然包括2个操作：从账户A减去1000元，往账户B加上1000元。
2、可见性
可见性是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。举例如下：
//线程1执行的代码 int i = 0; i = 10; //线程2执行的代码 j = i;
假若执行线程1的是CPU1，执行线程2的是CPU2。由上面的分析可知，当线程1执行 i =10这句时，会先把i的初始值加载到CPU1的高速缓存中，然后赋值为10，那么在CPU1的高速缓存当中i的值变为10了，却没有立即写入到主存当中。
此时线程2执行 j = i，它会先去主存读取i的值并加载到CPU2的缓存当中，注意此时内存当中i的值还是0，那么就会使得j的值为0，而不是10.
这就是可见性问题，线程1对变量i修改了之后，线程2没有立即看到线程1修改的值。
3、有序性
有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。举个简单的例子，看下面这段代码：
int a = 10; //语句1 int r = 2; //语句2 a = a + 3; //语句3 r = a*a; //语句4
上面代码定义了一个int型变量，定义了一个boolean类型变量，然后分别对两个变量进行赋值操作。从代码顺序上看，语句1是在语句2前面的，那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定会在语句2前面执行吗？不一定，为什么呢？这里可能会发生指令重排序。
下面解释一下什么是指令重排序，一般来说，处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。
比如上面的代码中，语句1和语句2谁先执行对最终的程序结果并没有影响，那么就有可能在执行过程中，语句2先执行而语句1后执行。
但是要注意，虽然处理器会对指令进行重排序，但是它会保证程序最终结果会和代码顺序执行结果相同，那么它靠什么保证的呢？
上面那段代码执行顺序有可能是语句2 语句1 语句3 语句4，那么可不可能是这个执行顺序呢： 语句2 语句1 语句4 语句3？不可能，因为处理器在进行重排序时是会考虑指令之间的数据依赖性，如果一个指令Instruction 2必须用到Instruction 1的结果，那么处理器会保证Instruction 1会在Instruction 2之前执行。
虽然重排序不会影响单个线程内程序执行的结果，但是多线程呢？下面看一个例子：
//线程1: context = loadContext(); //语句1 inited = true; //语句2 //线程2: while(!inited ){ sleep() } doSomethingwithconfig(context);
上面代码中，由于语句1和语句2没有数据依赖性，因此可能会被重排序。假如发生了重排序，在线程1执行过程中先执行语句2，而此是线程2会以为初始化工作已经完成，那么就会跳出while循环，去执行doSomethingwithconfig(context)方法，而此时context并没有被初始化，就会导致程序出错。
从上面可以看出，指令重排序不会影响单个线程的执行，但是会影响到线程并发执行的正确性。
三、Java内存模型
在java虚拟机规范中试图定义一种java内存模型，来屏蔽各个硬件平台和操作系统的内容访问差异，以实现让java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。Java内存模型规定所有的变量都是存在主存当中（类似于前面说的物理内存），每个线程都有自己的工作内存（类似于前面的高速缓存）。线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接对主存进行操作。并且每个线程不能访问其他线程的工作内存。
举个简单的例子：在java中，执行下面这个语句：
i = 10;
执行线程必须先在自己的工作线程中对变量i所在的缓存行进行赋值操作，然后再写入主存当中。而不是直接将数值10写入主存当中。
那么Java语言 本身对 原子性、可见性以及有序性提供了哪些保证呢？
1、原子性
在Java中，对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作，即这些操作是不可被中断的，要么执行，要么不执行。请分析以下哪些操作是原子性操作：
x = 10; //语句1 y = x; //语句2 x++; //语句3
语句1是直接将数值10赋值给x，也就是说线程执行这个语句的会直接将数值10写入到工作内存中。
语句2实际上包含2个操作，它先要去读取x的值，再将x的值写入工作内存，虽然读取x的值以及 将x的值写入工作内存 这2个操作都是原子性操作，但是合起来就不是原子性操作了。
同样的，x++包括3个操作：读取x的值，进行加1操作，写入新的值。所以上面4个语句只有语句1的操作具备原子性。
也就是说，只有简单的读取、赋值（而且必须是将数字赋值给某个变量，变量之间的相互赋值不是原子操作）才是原子操作。
2、可见性
对于可见性，Java提供了volatile关键字来保证可见性。
当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。
而普通的共享变量不能保证可见性，因为普通共享变量被修改之后，什么时候被写入主存是不确定的，当其他线程去读取时，此时内存中可能还是原来的旧值，因此无法保证可见性。
3、有序性
在Java内存模型中，允许编译器和处理器对指令进行重排序，但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。
在Java里面，可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”（具体原理在下一节讲述）。另外可以通过synchronized和Lock来保证有序性，很显然，synchronized和Lock保证每个时刻是有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码，自然就保证了有序性。
另外，Java内存模型具备一些先天的“有序性”，即不需要通过任何手段就能够得到保证的有序性，这个通常也称为 happens-before 原则。如果两个操作的执行次序无法从happens-before原则推导出来，那么它们就不能保证它们的有序性，虚拟机可以随意地对它们进行重排序。
下面就来具体介绍下happens-before原则（先行发生原则）：
- 程序次序原则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作
- 锁定规则：一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁额lock操作
- volatile变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作
- 传递规则：如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生于操作C
- 线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个一个动作
- 线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生
- 线程终结规则：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始
- 对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始
这8条规则中，前4条规则是比较重要的，后4条规则都是显而易见的。
下面我们来解释一下前4条规则：
第一条规则提到“书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作”，这个看起来执行的顺序是按照代码顺序执行的，虽然虚拟机会进行重排序，但是最终执行的结果是与程序顺序执行的结果一致的，它只会对不存在数据依赖性的指令进行重排序。因此，在单个线程中，程序执行看起来是有序执行的。但是无法保证在多线程中执行的正确性。
第二条规则也比较容易理解，也就是说无论在单线程中还是多线程中，同一个锁如果出于被锁定的状态，那么必须先对锁进行了释放操作，后面才能继续进行lock操作。
第三条规则是一条比较重要的规则，也是后文将要重点讲述的内容。直观地解释就是，如果一个线程先去写一个变量，然后一个线程去进行读取，那么写入操作肯定会先行发生于读操作。
第四条规则实际上就是体现happens-before原则具备传递性。
四、深入剖析volatile关键字
1、volatile关键字的两层语义
如果一个变量被volatile修改后，那么就具备了两层语义：
- 保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。
- 禁止进行指令重排序。
//线程1 boolean stop = false; while(!stop){ doSomething(); } //线程2 stop = true;
很多人在中断线程时可能都会采用这种标记办法。但是事实上，这段代码会完全运行正确么？即一定会将线程中断么？不一定。那么当线程2更改了stop变量的值之后，但是还没来得及写入主存当中，线程2转去做其他事情了，那么线程1由于不知道线程2对stop变量的更改，因此还会一直循环下去。
但是用volatile修饰之后就变得不一样了：
第一：使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存；
第二：使用volatile关键字的话，当线程2进行修改时，会导致线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效（反映到硬件层的话，就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效）；
第三：由于线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效，所以线程1再次读取变量stop的值时会去主存读取。
2、volatile保证原子性吗？
从上面知道volatile关键字保证了操作的可见性，但是volatile能保证对变量的操作是原子性吗？
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) //保证前面的线程都执行完 Thread.yield(); System.out.println(test.inc); } }
想一下这段程序的输出结果是多少？也许认为是10000。但上面的运行结果每次都不一致，小于10000的数字。
可能有的朋友就会有疑问，不对啊，上面是对变量inc进行自增操作，由于volatile保证了可见性，那么在每个线程中对inc自增完之后，在其他线程中都能看到修改后的值啊，所以有10个线程分别进行了1000次操作，那么最终inc的值应该是1000*10=10000。
这里面就有一个误区了，volatile关键字能保证可见性没有错，但是上面的程序错在没能保证原子性。可见性只能保证每次读取的是最新的值，但是volatile没办法保证对变量的操作的原子性。
在前面已经提到过，自增操作是不具备原子性的，它包括读取变量的原始值、进行加1操作、写入工作内存。那么就是说自增操作的三个子操作可能会分割开执行，就有可能导致下面这种情况出现：
假如某个时刻变量inc的值为10，
线程1对变量进行自增操作，线程1先读取了变量inc的原始值，然后线程1被阻塞了；
然后线程2对变量进行自增操作，线程2也去读取变量inc的原始值，由于线程1只是对变量inc进行读取操作，而没有对变量进行修改操作，所以不会导致线程2的工作内存中缓存变量inc的缓存行无效，所以线程2会直接去主存读取inc的值，发现inc的值时10，然后进行加1操作，并把11写入工作内存，最后写入主存。
然后线程1接着进行加1操作，由于已经读取了inc的值，注意此时在线程1的工作内存中inc的值仍然为10，所以线程1对inc进行加1操作后inc的值为11，然后将11写入工作内存，最后写入主存。
那么两个线程分别进行了一次自增操作后，inc只增加了1。
解释到这里，可能有朋友会有疑问，不对啊，前面不是保证一个变量在修改volatile变量时，会让缓存行无效吗？然后其他线程去读就会读到新的值，对，这个没错。这个就是上面的happens-before规则中的volatile变量规则，但是要注意，根源就在自增操作不是原子性操作，而且volatile也无法保证对变量的任何操作都是原子性的。首先对inc++进行等价转换，方便解释说明，是分为三步的
int tmp = inc; //1 tmp = tmp + 1; //2 inc = tmp; //3
两个线程A、B，初始值inc = 0；当线程A执行到2时，此时tmp=1，与此同时，B线程执行完所有操作，也就是说主内存中inc=1，此时线程A中的inc已经是无效的地址了（这是volatile的工作机制，文章中已经说明），但此时，线程A中的inc有效无效都已经对tmp变量没有任何影响了；此时线程A继续执行第三步inc=tmp，此时发现inc的地址已经失效，也会从主内存中拷贝副本到A线程的运行内存中，也就说此时inc=1，执行inc=tmp后inc的值还是1，线程A将inc从线程内存中写回主内存，线程A运行结束。线程B早就运行结束了。那么此时主线程中的inc=1，就是文章中出现的问题。（这是原文的讨论里，我认为对的）
4.volatile的原理和实现机制
“观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令”
lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），内存屏障会提供3个功能：
- 它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成；
- 它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存；
- 如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。