????Java 語言提供了一種稍弱的同步機(jī)制，即volatile變量叶组，用來確保將變量的更新操作通知到其他線程拯田。當(dāng)把變量申明為volatile 類型后，編譯器與運(yùn)行時(shí)都會(huì)注意到這個(gè)變量是共享的扶叉，因此不會(huì)將該變量操作一起重排序勿锅。
一.內(nèi)存模型的相關(guān)概念
大家都知道，計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)枣氧，每條指令都是在CPU中執(zhí)行的溢十，而執(zhí)行指令過程中，勢必涉及到數(shù)據(jù)的讀取和寫入达吞。由于程序運(yùn)行過程中的臨時(shí)數(shù)據(jù)是存放在主存（物理內(nèi)存）當(dāng)中的张弛，這時(shí)就存在一個(gè)問題，由于CPU執(zhí)行速度很快，而從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)和向內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)的過程跟CPU執(zhí)行指令的速度比起來要慢的多吞鸭，因此如果任何時(shí)候?qū)?shù)據(jù)的操作都要通過和內(nèi)存的交互來進(jìn)行寺董，會(huì)大大降低指令執(zhí)行的速度。因此在CPU里面就有了高速緩存刻剥。
也就是遮咖，當(dāng)程序在運(yùn)行過程中，會(huì)將運(yùn)算需要的數(shù)據(jù)從主存復(fù)制一份到CPU的高速緩存當(dāng)中造虏，那么CPU進(jìn)行計(jì)算時(shí)就可以直接從它的高速緩存讀取數(shù)據(jù)和向其中寫入數(shù)據(jù)御吞，當(dāng)運(yùn)算結(jié)束之后，再將高速緩存中的數(shù)據(jù)刷新到主存當(dāng)中漓藕。舉個(gè)簡單的例子陶珠，比如下面的這段代碼：
i = i +?1;
? 當(dāng)線程執(zhí)行這個(gè)語句時(shí)，會(huì)先從主存當(dāng)中讀取i的值享钞，然后復(fù)制一份到高速緩存當(dāng)中揍诽，然后CPU執(zhí)行指令對i進(jìn)行加1操作，然后將數(shù)據(jù)寫入高速緩存栗竖，最后將高速緩存中i最新的值刷新到主存當(dāng)中暑脆。
這個(gè)代碼在單線程中運(yùn)行是沒有任何問題的，但是在多線程中運(yùn)行就會(huì)有問題了划滋。在多核CPU中饵筑，每條線程可能運(yùn)行于不同的CPU中，因此每個(gè)線程運(yùn)行時(shí)有自己的高速緩存（對單核CPU來說处坪，其實(shí)也會(huì)出現(xiàn)這種問題根资，只不過是以線程調(diào)度的形式來分別執(zhí)行的）。本文我們以多核CPU為例同窘。
比如同時(shí)有2個(gè)線程執(zhí)行這段代碼玄帕，假如初始時(shí)i的值為0，那么我們希望兩個(gè)線程執(zhí)行完之后i的值變?yōu)?想邦。但是事實(shí)會(huì)是這樣嗎裤纹？
可能存在下面一種情況：初始時(shí)，兩個(gè)線程分別讀取i的值存入各自所在的CPU的高速緩存當(dāng)中丧没，然后線程1進(jìn)行加1操作鹰椒，然后把i的最新值1寫入到內(nèi)存。此時(shí)線程2的高速緩存當(dāng)中i的值還是0呕童，進(jìn)行加1操作之后漆际，i的值為1，然后線程2把i的值寫入內(nèi)存夺饲。
最終結(jié)果i的值是1奸汇，而不是2施符。這就是著名的緩存一致性問題。通常稱這種被多個(gè)線程訪問的變量為共享變量擂找。
也就是說戳吝，如果一個(gè)變量在多個(gè)CPU中都存在緩存（一般在多線程編程時(shí)才會(huì)出現(xiàn)），那么就可能存在緩存不一致的問題贯涎。
為了解決緩存不一致性問題听哭，通常來說有以下2種解決方法：
1）通過在總線加LOCK#鎖的方式
2）通過緩存一致性協(xié)議
這2種方式都是硬件層面上提供的方式。
在早期的CPU當(dāng)中柬采，是通過在總線上加LOCK#鎖的形式來解決緩存不一致的問題欢唾。因?yàn)镃PU和其他部件進(jìn)行通信都是通過總線來進(jìn)行的，如果對總線加LOCK#鎖的話粉捻，也就是說阻塞了其他CPU對其他部件訪問（如內(nèi)存），從而使得只能有一個(gè)CPU能使用這個(gè)變量的內(nèi)存斑芜。比如上面例子中 如果一個(gè)線程在執(zhí)行 i = i +1肩刃，如果在執(zhí)行這段代碼的過程中，在總線上發(fā)出了LCOK#鎖的信號(hào)杏头，那么只有等待這段代碼完全執(zhí)行完畢之后盈包，其他CPU才能從變量i所在的內(nèi)存讀取變量，然后進(jìn)行相應(yīng)的操作醇王。這樣就解決了緩存不一致的問題呢燥。
但是上面的方式會(huì)有一個(gè)問題，由于在鎖住總線期間寓娩，其他CPU無法訪問內(nèi)存叛氨，導(dǎo)致效率低下。
所以就出現(xiàn)了緩存一致性協(xié)議棘伴。最出名的就是Intel 的MESI協(xié)議寞埠，MESI協(xié)議保證了每個(gè)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(dāng)CPU寫數(shù)據(jù)時(shí)焊夸，如果發(fā)現(xiàn)操作的變量是共享變量仁连，即在其他CPU中也存在該變量的副本，會(huì)發(fā)出信號(hào)通知其他CPU將該變量的緩存行置為無效狀態(tài)阱穗，因此當(dāng)其他CPU需要讀取這個(gè)變量時(shí)饭冬，發(fā)現(xiàn)自己緩存中緩存該變量的緩存行是無效的，那么它就會(huì)從內(nèi)存重新讀取揪阶。
二.并發(fā)編程中的三個(gè)概念
在并發(fā)編程中昌抠，我們通常會(huì)遇到以下三個(gè)問題：原子性問題，可見性問題遣钳，有序性問題扰魂。我們先看具體看一下這三個(gè)概念：
1.原子性
原子性：即一個(gè)操作或者多個(gè)操作 要么全部執(zhí)行并且執(zhí)行的過程不會(huì)被任何因素打斷忿晕，要么就都不執(zhí)行堰燎。
一個(gè)很經(jīng)典的例子就是銀行賬戶轉(zhuǎn)賬問題：
比如從賬戶A向賬戶B轉(zhuǎn)1000元，那么必然包括2個(gè)操作：從賬戶A減去1000元，往賬戶B加上1000元尼啡。
試想一下，如果這2個(gè)操作不具備原子性蹦魔，會(huì)造成什么樣的后果啄栓。假如從賬戶A減去1000元之后，操作突然中止姻成。然后又從B取出了500元插龄，取出500元之后，再執(zhí)行 往賬戶B加上1000元 的操作科展。這樣就會(huì)導(dǎo)致賬戶A雖然減去了1000元均牢，但是賬戶B沒有收到這個(gè)轉(zhuǎn)過來的1000元。
所以這2個(gè)操作必須要具備原子性才能保證不出現(xiàn)一些意外的問題才睹。
同樣地反映到并發(fā)編程中會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果呢徘跪？
舉個(gè)最簡單的例子，大家想一下假如為一個(gè)32位的變量賦值過程不具備原子性的話琅攘，會(huì)發(fā)生什么后果垮庐？
i =?9;
? 假若一個(gè)線程執(zhí)行到這個(gè)語句時(shí)，我暫且假設(shè)為一個(gè)32位的變量賦值包括兩個(gè)過程：為低16位賦值坞琴，為高16位賦值哨查。
那么就可能發(fā)生一種情況：當(dāng)將低16位數(shù)值寫入之后，突然被中斷剧辐，而此時(shí)又有一個(gè)線程去讀取i的值寒亥，那么讀取到的就是錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。
2.可見性
可見性是指當(dāng)多個(gè)線程訪問同一個(gè)變量時(shí)浙于，一個(gè)線程修改了這個(gè)變量的值护盈，其他線程能夠立即看得到修改的值。
舉個(gè)簡單的例子羞酗，看下面這段代碼：
//線程1執(zhí)行的代碼
int?i =?0;
i =?10;
//程2執(zhí)行的代碼
j = i;
? 假若執(zhí)行線程1的是CPU1腐宋，執(zhí)行線程2的是CPU2。由上面的分析可知檀轨，當(dāng)線程1執(zhí)行 i =10這句時(shí)胸竞，會(huì)先把i的初始值加載到CPU1的高速緩存中，然后賦值為10参萄，那么在CPU1的高速緩存當(dāng)中i的值變?yōu)?0了卫枝，卻沒有立即寫入到主存當(dāng)中。
此時(shí)線程2執(zhí)行 j = i讹挎，它會(huì)先去主存讀取i的值并加載到CPU2的緩存當(dāng)中校赤，注意此時(shí)內(nèi)存當(dāng)中i的值還是0吆玖，那么就會(huì)使得j的值為0，而不是10.
這就是可見性問題马篮，線程1對變量i修改了之后沾乘，線程2沒有立即看到線程1修改的值。
3.有序性
有序性：即程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行浑测。舉個(gè)簡單的例子翅阵，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(gè)int型變量，定義了一個(gè)boolean類型變量迁央，然后分別對兩個(gè)變量進(jìn)行賦值操作掷匠。從代碼順序上看，語句1是在語句2前面的岖圈，那么JVM在真正執(zhí)行這段代碼的時(shí)候會(huì)保證語句1一定會(huì)在語句2前面執(zhí)行嗎讹语？不一定，為什么呢蜂科？這里可能會(huì)發(fā)生指令重排序（Instruction Reorder）募强。
下面解釋一下什么是指令重排序，一般來說崇摄，處理器為了提高程序運(yùn)行效率，可能會(huì)對輸入代碼進(jìn)行優(yōu)化慌烧，它不保證程序中各個(gè)語句的執(zhí)行先后順序同代碼中的順序一致逐抑，但是它會(huì)保證程序最終執(zhí)行結(jié)果和代碼順序執(zhí)行的結(jié)果是一致的。
比如上面的代碼中屹蚊，語句1和語句2誰先執(zhí)行對最終的程序結(jié)果并沒有影響厕氨，那么就有可能在執(zhí)行過程中，語句2先執(zhí)行而語句1后執(zhí)行汹粤。
但是要注意命斧，雖然處理器會(huì)對指令進(jìn)行重排序，但是它會(huì)保證程序最終結(jié)果會(huì)和代碼順序執(zhí)行結(jié)果相同嘱兼，那么它靠什么保證的呢国葬？再看下面一個(gè)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(gè)語句，那么可能的一個(gè)執(zhí)行順序是：
那么可不可能是這個(gè)執(zhí)行順序呢： 語句2?? 語句1??? 語句4?? 語句3
不可能芹壕，因?yàn)樘幚砥髟谶M(jìn)行重排序時(shí)是會(huì)考慮指令之間的數(shù)據(jù)依賴性汇四，如果一個(gè)指令I(lǐng)nstruction 2必須用到Instruction 1的結(jié)果，那么處理器會(huì)保證Instruction 1會(huì)在Instruction 2之前執(zhí)行踢涌。
雖然重排序不會(huì)影響單個(gè)線程內(nèi)程序執(zhí)行的結(jié)果通孽，但是多線程呢？下面看一個(gè)例子：
context = loadContext();?//語句1
inited =?true;?//語句2
//線程2:
while(!inited ){
??sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);
? 上面代碼中睁壁，由于語句1和語句2沒有數(shù)據(jù)依賴性背苦，因此可能會(huì)被重排序互捌。假如發(fā)生了重排序，在線程1執(zhí)行過程中先執(zhí)行語句2行剂，而此是線程2會(huì)以為初始化工作已經(jīng)完成秕噪，那么就會(huì)跳出while循環(huán)，去執(zhí)行doSomethingwithconfig(context)方法硼讽，而此時(shí)context并沒有被初始化巢价，就會(huì)導(dǎo)致程序出錯(cuò)。
? 從上面可以看出固阁，指令重排序不會(huì)影響單個(gè)線程的執(zhí)行壤躲，但是會(huì)影響到線程并發(fā)執(zhí)行的正確性。
也就是說备燃，要想并發(fā)程序正確地執(zhí)行碉克，必須要保證原子性、可見性以及有序性并齐。只要有一個(gè)沒有被保證漏麦，就有可能會(huì)導(dǎo)致程序運(yùn)行不正確。
