1. 并發(fā)編程基礎(chǔ)概念

并發(fā)——在操作系統(tǒng)中，是指一個時間段中有幾個程序都處于已啟動運行到運行完畢之間，且這幾個程序都是在同一個處理機上運行，但任一個時刻點上只有一個程序在處理機上運行——源自百度百科

在并發(fā)編程中，我們需要處理兩個關(guān)鍵問題：線程之間如何通信和線程之間如何同步，后續(xù)篇章將圍繞這兩個問題進行介紹。

• 線程通信：是指線程之間以何種機制來交換信息，在命令式編程中，線程之間的通信機制有兩種：共享內(nèi)存和消息傳遞。
• 線程同步：是指程序用于控制不同線程之間操作發(fā)生相對順序的機制。在Java中，可以通過volatile，synchronized, 鎖等方式實現(xiàn)同步。

本文主要介紹java的通信機制，剛介紹常見通信機制主要包括以下兩種方式：

1. 共享內(nèi)存：線程之間共享程序的公共狀態(tài)，線程之間通過寫-讀內(nèi)存中的公共狀態(tài)來隱式進行通信。
2. 消息傳遞：線程之間沒有公共狀態(tài)，線程之間必須通過明確的發(fā)送消息來顯式進行通信。

Java的并發(fā)采用的是共享內(nèi)存模型，Java線程之間的通信總是隱式進行，整個通信過程對程序員完全透明。在java中，所有實例域、靜態(tài)域和數(shù)組元素存儲在堆內(nèi)存中，堆內(nèi)存在線程之間共享。

Java線程之間的通信由Java內(nèi)存模型（本文簡稱為JMM）控制，JMM決定一個線程對共享變量的寫入何時對另一個線程可見。

2. JMM內(nèi)存模型

JMM（Java Memory Model）是JVM規(guī)范中定義的一種Java內(nèi)存模型，它的目的是屏蔽掉各種硬件和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問差異，以實現(xiàn)讓Java程序在各種平臺上到能達到一致的內(nèi)存訪問效果。
Java內(nèi)存模型的主要定義程序中各個變量的訪問規(guī)則，即在虛擬機中將變量存儲到內(nèi)存和從內(nèi)存中取出變量這樣底層細節(jié)。首先簡單說明幾個常用名稱定義：

• 變量：這里指包括了實例字段、靜態(tài)字段和構(gòu)成數(shù)組對象的元素，但是不包括局部變量與方法參數(shù)，后者是線程私有的，不會被共享。
• 主內(nèi)存：在java中，實例域、靜態(tài)域和數(shù)組元素是線程之間共享的數(shù)據(jù)，它們存儲在主內(nèi)存中。
• 工作內(nèi)存：每條線程都有自己的工作內(nèi)存，線程的工作內(nèi)存中保存了該線程使用到的變量到主內(nèi)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(nèi)存中進行，而不能直接讀寫主內(nèi)存中的變量。

線程、主內(nèi)存和工作內(nèi)存之間交互關(guān)系

線程、主內(nèi)存和工作內(nèi)存的交互關(guān)系如上圖所示，和CPU-緩存-內(nèi)存很類似。
不同線程之間無法直接訪問對方工作內(nèi)存中的變量，線程間變量值的傳遞均需要在主內(nèi)存來完成。
最后注意，為了獲得較好的執(zhí)行性能，Java內(nèi)存模型并沒有限制執(zhí)行引擎使用處理器的寄存器或者高速緩存來提升指令執(zhí)行速度，也沒有限制編譯器對指令進行重排序。也就是說，在java內(nèi)存模型中，也會存在緩存一致性問題和指令重排序的問題。

3. 內(nèi)存間交互操作

關(guān)于主內(nèi)存與工作內(nèi)存之間的具體交互協(xié)議，即一個變量如何從主內(nèi)存拷貝到工作內(nèi)存、如何從工作內(nèi)存同步到主內(nèi)存之間的實現(xiàn)細節(jié)，Java內(nèi)存模型定義了以下八種操作來完成：

• lock（鎖定）：作用于主內(nèi)存的變量，把一個變量標識為一條線程獨占狀態(tài)。
• unlock（解鎖）：作用于主內(nèi)存變量，把一個處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來，釋放后的變量才可以被其他線程鎖定。
• read（讀?。鹤饔糜谥鲀?nèi)存變量，把一個變量值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)骄€程的工作內(nèi)存中，以便隨后的load動作使用
• load（載入）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把read操作從主內(nèi)存中得到的變量值放入工作內(nèi)存的變量副本中。
• use（使用）：作用于工作內(nèi)存的變量，把工作內(nèi)存中的一個變量值傳遞給執(zhí)行引擎，每當虛擬機遇到一個需要使用變量的值的字節(jié)碼指令時將會執(zhí)行這個操作。
• assign（賦值）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把一個從執(zhí)行引擎接收到的值賦值給工作內(nèi)存的變量，每當虛擬機遇到一個給變量賦值的字節(jié)碼指令時執(zhí)行這個操作。
• store（存儲）：作用于工作內(nèi)存的變量，把工作內(nèi)存中的一個變量的值傳送到主內(nèi)存中，以便隨后的write的操作。
• write（寫入）：作用于主內(nèi)存的變量，它把store操作從工作內(nèi)存中一個變量的值傳送到主內(nèi)存的變量中。

所以變量讀寫包含以下幾個步驟：

1. 變量從主內(nèi)存復(fù)制到工作內(nèi)存——順序執(zhí)行read和load操作
2. 變量從工作內(nèi)存同步到主內(nèi)存——順序執(zhí)行store和write操作

注意，Java內(nèi)存模型只要求上述操作必須按順序執(zhí)行，而沒有保證必須是連續(xù)執(zhí)行。也就是read和load之間，store和write之間是可以插入其他指令的。
除了定義以上8中原子操作，Java內(nèi)存模型還規(guī)定了上述8種基本操作在執(zhí)行時必須滿足一定的操作規(guī)則，例如如不允許read和load單獨出現(xiàn)（即不允許一個變量從主內(nèi)存中讀取但工作內(nèi)存不接受），不允許store和write單獨出現(xiàn)（即不允許從工作內(nèi)存中發(fā)起了回寫單主內(nèi)存不接受），這里不一一列舉，詳細網(wǎng)上搜索即可。
Java內(nèi)存模型還定義了volatile型變量的特殊規(guī)則（下一節(jié)介紹），以上三種規(guī)定共同確定了Java中哪些內(nèi)存訪問操作是安全的即：

8種原子操作+操作規(guī)則+volatile規(guī)定=Java中哪些內(nèi)存訪問操作是安全的

4. volatile型變量規(guī)定

當一個變量被定義為volatile后，將具備兩種特性：

• 特性一：保證此變量對所有線程的可見性
• 特性二：禁止指令重排序優(yōu)化

4.1 volatile可見性

可見性是指當多個線程訪問同一個變量時，一個線程修改了這個變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。
普通的共享變量不能保證可見性，因為普通共享變量被修改之后，什么時候被寫入主存是不確定的，當其他線程去讀取時，此時內(nèi)存中可能還是原來的舊值，因此無法保證可見性。
但是，需要注意的是volatile變量只保證可見性，但是java里面的運算并非全部都是原子操作例如++操作，這樣同樣導(dǎo)致volatile修飾變量java運算不安全。
一般不符合以下兩條規(guī)則的運算場景中，我們需要通過加鎖（synchronized或并發(fā)包中的鎖）保證變量原子性：

• 運算結(jié)果并不依賴變量的當前值，或者能夠確保只有單一的線程修改變量的值（比如++操作不符合依賴當前值）
• 變量不需要與其他狀態(tài)變量共同參與不變約束

常見的volatile修飾變量的場景是用來作為開關(guān)控制并發(fā)：

volatile開關(guān)

4.2 禁止指令重排序

重排序：是指“編譯器和處理器”為了提高性能，而在程序執(zhí)行時會對程序進行的重排序。大致可以分為以下三類：

• 編譯器優(yōu)化指令重排，不改變單線程語義的情況下，重新安排指令執(zhí)行的順序。
• 指令級并行重排序，該優(yōu)化主要是為了讓程序發(fā)揮現(xiàn)代處理器的指令級并行執(zhí)行能力，前提是這些語句不存在數(shù)據(jù)依賴。
• 內(nèi)存系統(tǒng)重排序，主要發(fā)生在處理器讀寫緩沖區(qū)，讀寫過程看起來是無序的，但最終結(jié)果是有序的
  從Java源代碼到最終實際執(zhí)行的指令序列，會經(jīng)過下面三種重排序：

實際執(zhí)行指令序列

以上重排序可能會導(dǎo)致多線程中出現(xiàn)內(nèi)存可見性問題，針對編譯器重排序JMM的編譯器重排序規(guī)則會禁止特定類型的編譯器重排序。
而對于后兩種重排序，JMM的處理器重排序規(guī)則會要求java編譯器在生成指令序列時，插入特定類型的內(nèi)存屏障（memory barriers，intel稱之為memory fence）指令，通過內(nèi)存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序（不是所有的處理器重排序都要禁止）。

下面我們看下jvm如何實現(xiàn)volatile禁止指令重排序的：

1. volatile變量寫操作，jvm會向處理器發(fā)送一條Lock前綴命令，將變量所在的緩存行系會到系統(tǒng)內(nèi)存。其他處理器通過嗅探總線上傳播的數(shù)據(jù)檢測自己的數(shù)據(jù)是否過期，如果發(fā)現(xiàn)過期會置為無效，再次使用時會從系統(tǒng)內(nèi)存獲取
2. Lock前綴命令禁止該指令與之前和之后的讀和寫指令重排序。

最后，關(guān)于volatile禁止重排序幾點使用說明：

• 不會對volatile讀與volatile讀后面的任意內(nèi)存操作重排序
• 不會對volatile寫與volatile寫之前的任意內(nèi)存操作重排序
• CAS同時具有volatile讀和寫內(nèi)存的語義，java的CAS使用現(xiàn)代處理器提供的高效級別的原子指令，這些原子指令以原子方式對內(nèi)存執(zhí)行讀-改-寫操作，這是多處理器中實現(xiàn)同步的關(guān)鍵。

5. JMM內(nèi)存模型總結(jié)

總的來說JMM內(nèi)存模型是圍繞著在并發(fā)過程中如何處理原子性、可見性和有序性三個特征來建立的。下面就三個特征分別說明：

5.1 原子性

原子性：即一個操作或者多個操作 要么全部執(zhí)行并且執(zhí)行的過程不會被任何因素打斷，要么就都不執(zhí)行。
java內(nèi)存模型的read、load、assign、use、store和write六個操作直接保證原子性，我們可以任務(wù)基本數(shù)據(jù)類型訪問讀寫是具有原子性（特殊說明long double64位操作根據(jù)jvm實現(xiàn)有關(guān)）。
如果場景中需要大范圍的原子性保證，java內(nèi)存模型提供了lock和unlock操作來滿足，對應(yīng)到j(luò)ava代碼關(guān)鍵字即是——synchronized。

5.2 可見性

可見性是指當多個線程訪問同一個變量時，一個線程修改了這個變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。
除了上面介紹的volatile外，java還提供了兩個關(guān)鍵字實現(xiàn)可見性，synchronized和final。

• final的可見性：是指被final修飾的字段在構(gòu)造器中一旦完成，那么在其他線程就可以看見final字段值
• synchronized可見性：是指對一個變量執(zhí)行unlock操作之前，必須先把次變量同步會主內(nèi)存這條操作規(guī)則限制

5.3 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。
java中天然有序性可以總結(jié)為一句話：如果在本線程內(nèi)觀察，所有的操作都是有序的；如果在一個線程中觀察另外一個線程，所有操作都是無序的。前半句是指“線程內(nèi)表現(xiàn)為串行語義”，后半句表示“指令重排”和“工作內(nèi)存與主內(nèi)存同步延遲”現(xiàn)象。
java提供了volatile和synchronized兩個關(guān)鍵字來保證線程之間操作的有序性，這里synchronized則是有“同一時刻只允許一條線程對其進行l(wèi)ock操作”這條操作規(guī)定獲取的，這個規(guī)則決定了同一個鎖的兩個同步塊只能串行進入。

最后，可以發(fā)現(xiàn)synchronized關(guān)鍵字可以同時解決上述三個問題，當然這個需要付出代價就是性能問題。

參考文檔

《深入理解java虛擬機》——周志明
http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html