参考链接： https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html

内存模型

• 数据放到内存中，计算是由cpu来计算
• cpu操作内存的速度很慢，所以在运算时，cpu会copy一份内存中的数据到高速缓冲中，运算结束后，将高速缓存中的数据刷到内存
• 可以参照为：用户操作数据库，把数据写到缓存中，操作完成后缓存数据清空并更新到数据库
• 当多核cpu操作时，每个cpu线程都有自己的高速缓存，就会导致缓存不一致的问题

如何解决缓存问题

• lock加锁（效率低下）
• 缓存一致性协议：
  • 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。

并发编程中的三个概念

• 原子性
• 可见性
• 有序性

1. 原子性

   • 即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。

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。

3. 有序性

   • 即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。
   • 处理器会在数据没有依赖性时，进行指令重排序
   • 多线程情况下，重排序会影响；
     • 例：

         //线程1:
     context = loadContext();   //语句1
     inited = true;             //语句2
      
     //线程2:
     while(!inited ){
       sleep()
     }
     doSomethingwithconfig(context);
     

     • 语句1和语句2没有依赖性，cpu进行重排序，先执行语句2
     • 线程2此时判断inited为true，停止睡眠，开始操作

JMM（java内存模型）

• 在Java虚拟机规范中试图定义一种Java内存模型（Java Memory Model，JMM）来屏蔽各个硬件平台和操作系统的内存访问差异，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。那么Java内存模型规定了哪些东西呢，它定义了程序中变量的访问规则，往大一点说是定义了程序执行的次序。注意，为了获得较好的执行性能，Java内存模型并没有限制执行引擎使用处理器的寄存器或者高速缓存来提升指令执行速度，也没有限制编译器对指令进行重排序。也就是说，在java内存模型中，也会存在缓存一致性问题和指令重排序的问题。
• 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。

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

• 原子性
  • Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作
  • 如果要实现更大范围操作的原子性，可以通过synchronized和Lock来实现。
  • 由于synchronized和Lock能够保证任一时刻只有一个线程执行该代码块，那么自然就不存在原子性问题了，从而保证了原子性。
• 可见性
  • Java提供了volatile关键字来保证可见性。
  • 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。
  • 另外，通过synchronized和Lock也能够保证可见性，synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。
• 有序性
  • 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）：
    • 程序次序规则：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的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

深入剖析volatile关键字

• 理解一个概念

  • 读操作与读到自己的工作缓存是两种概念
  • 下面说的读操作都是单纯的读操作
  • volatile能做到修改时，令其他工作缓存失效，但不能令单纯的读操作取到的值失效
  • 反例（非原子性）

      int b = a，先读取a为1，后续其他线程改了a的值，但b依然是1；
  

  • 正例（可见性）

  a初始为1， 
  先执行a = 2, 
  其他线程随后读取a并赋予b执行 int b = a, 
  b值一定为2，volatile只能做到这点（读最新值）
  

• volatile关键字的两层语义

  1. 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。
  2. 禁止进行指令重排序。
  • 一旦一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被volatile修饰之后，那么就具备了两层语义：

• volatile能保证原子性吗

  • 首先，原子性概念 即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。
  • 很显然volatile只能保证每次读取的是最新的值，不能保证一串操作不能被中断或打断，
  • 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
  • 只能保证读的时候，是最新的，假设线程1 读取变量为1（此时是最新值），随后其他变量改了这个值为2，那么线程1后续变量操作时依然认为是1（已经读取出来了）

• volatile能保证有序性吗？

  • 在前面提到volatile关键字能禁止指令重排序，所以volatile能在一定程度上保证有序性。
  • volatile关键字禁止指令重排序有两层意思：
    • 当程序执行到volatile变量的读操作或者写操作时，在其前面的操作的更改肯定全部已经进行，且结果已经对后面的操作可见；在其后面的操作肯定还没有进行；
    • 在进行指令优化时，不能将在对volatile变量访问的语句放在其后面执行，也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执行。

• 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：
    • 1）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；
    • 2）它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存；
    • 3）如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。

• 使用volatile关键字的场景

  • 使用volatile必须具备以下2个条件：
    • 对变量的写操作不依赖于当前值
    • 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中