談到并發(fā)，首先要提到的就是安全，所有的并發(fā)編程的前提都是安全。在java中，

• 什么是線程安全性？
  • 在多線程并發(fā)訪問一個對象或者類時，他始終都能表現(xiàn)出正確的行為，也就是說，我們在調(diào)用時不需要做額外的同步。
• 線程安全的幾個特點
  • 原子性
    原子性，通俗來說就是幾個操作在操作過程中，是不可以被其他線程干擾，舉例來說

  public class Demo {
  
    private int count = 0;
   //在并發(fā)環(huán)境下，多個線程同時執(zhí)行以下方法，可能會發(fā)生不安全操作
    public void add() {
     ++count;
    }
  }
  

  因為++操作在java中是非原子的，它包含三個操作：讀-改-寫，那么在使用該類的時候我們就無法保證原子性
  • 可見性
    可見性簡單來說就是當(dāng)一個線程修改了某個共享變量的值，這個更新能夠立刻被其他線程所知曉，具體的原理我們在JMM中詳細說。
  • 有序性
    有序性，是保證線程內(nèi)語義是串行的，禁止指令重排。舉個例子

  int  a ;
  a = 5;
  a = 6;
  int  b = a;
  int c = a + b;
  

  當(dāng)發(fā)生指令重排時，語句3先于2執(zhí)行，則結(jié)果發(fā)生錯誤。尤其是在-server模式下，處于對性能的考慮，虛擬機會做出一些優(yōu)化。
  但是指令重排是有原則的，一下情況不發(fā)生重排，我列舉一下：
  • Happen-Benfore原則
    • 程序順序原則：一個線程內(nèi)語義串行性
    • volatile原則：volatile變量的寫先發(fā)生于讀，因此保證了可見性
    • 鎖原則：解鎖必然發(fā)生于隨后的加鎖前
    • 傳遞性：a先于b，b先于c，則a先于c
    • 線程的start方法先于他的每一個操作
    • 線程的所有操作先于線程的終結(jié)
    • 對象的構(gòu)造函數(shù)執(zhí)行、結(jié)束先于finalize方法

java內(nèi)存模型

• 計算機內(nèi)存模型
  我們知道java是一種可移植的語言，它是平臺無關(guān)性的，所以這就要求JMM在任何平臺下都能達到一致的內(nèi)存訪問效果。

  • 首先我們來了解一下在計算機中硬件中是如何實現(xiàn)并發(fā)的，在計算機中，IO操作的速度與CPU的速度是相差很多的，所以為了保證并發(fā)，在內(nèi)存與處理器之間引入了高速緩存（Cache），他的作用就是，在運算中，將使用到的數(shù)據(jù)拷貝到緩存中，當(dāng)運算結(jié)束后再從緩存同步到內(nèi)存之中，這樣就解決了IO與CPU之間的速度差異問題。
  • 但是現(xiàn)在都是多核CPU，每個處理器都有自己的緩存，但是他們又共享同一主內(nèi)存，那么當(dāng)他們的運算涉及到同一塊主內(nèi)存時，就帶來了緩存不一致的問題，所以就有了緩存一致性協(xié)議，我以一張圖來表示他們之間的關(guān)系。
  計算機硬件模型

• java內(nèi)存區(qū)域
  指的是java虛擬機在運行程序時管理的內(nèi)存，JVM把它劃分成幾個區(qū)域

  
  
  Java虛擬機內(nèi)存區(qū)域
  • 方法區(qū)（Method Area）：方法區(qū)屬于線程共享的內(nèi)存區(qū)域，又稱Non-Heap（非堆），主要用于存儲已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)，根據(jù)Java 虛擬機規(guī)范的規(guī)定，當(dāng)方法區(qū)無法滿足內(nèi)存分配需求時，將拋出OutOfMemoryError 異常。值得注意的是在方法區(qū)中存在一個叫運行時常量池(Runtime Constant Pool）的區(qū)域，它主要用于存放編譯器生成的各種字面量和符號引用，這些內(nèi)容將在類加載后存放到運行時常量池中，以便后續(xù)使用。
  • Java堆（Java Heap）：Java 堆也是屬于線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它在虛擬機啟動時創(chuàng)建，是Java 虛擬機所管理的內(nèi)存中最大的一塊，主要用于存放對象實例，幾乎所有的對象實例都在這里分配內(nèi)存，注意Java 堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，因此很多時候也被稱做GC 堆，如果在堆中沒有內(nèi)存滿足實例分配需求，并且堆也無法再擴展時，將會拋出OutOfMemoryError 異常。
  • 程序計數(shù)器（Program Counter Register）：屬于線程私有的數(shù)據(jù)區(qū)域，是一小塊內(nèi)存空間，主要代表當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼行號指示器。字節(jié)碼解釋器工作時，通過改變這個計數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴這個計數(shù)器來完成。
  • 本地方法棧(Native Method Stacks)：本地方法棧屬于線程私有的數(shù)據(jù)區(qū)域，這部分主要與虛擬機用到的 Native 方法相關(guān)。
  • 虛擬機棧(Java Virtual Machine Stacks)：屬于線程私有的數(shù)據(jù)區(qū)域，與線程同時創(chuàng)建，總數(shù)與線程關(guān)聯(lián)，代表Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型。每個方法執(zhí)行時都會創(chuàng)建一個棧楨來存儲方法的的變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接方法、返回值、返回地址等信息。

• java內(nèi)存模型

  • 虛擬機規(guī)范中描述說Java內(nèi)存模型的主要目標(biāo)是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)存中取出變量這樣的底層細節(jié)。但是要注意的是，這里的變量不是通常意義上的變量，它包括了實例屬性、類屬性以及構(gòu)成數(shù)組的元素，但是不包括局部變量與方法參數(shù)。為什么這么說呢？
    根據(jù)上面的Java內(nèi)存區(qū)域劃分我們可以知道，在虛擬機棧中有一張局部變量表，存放了編譯期可知的各種基本數(shù)據(jù)類型（boolean、 byte、 char、 short、 int、 float、 long、double） 、 對象引用（reference類型， 它不等同于對象本身， 可能是一個指向?qū)ο笃鹗嫉刂返囊弥羔槪?也可能是指向一個代表對象的句柄或其他與此對象相關(guān)的位置） 和returnAddress類型（指向了一條字節(jié)碼指令的地址），通俗一點說，如果局部變量是基本類型變量,則直接把這個變量的值保存在該變量對應(yīng)的內(nèi)存中.如果局部變量是引用類型的變量,則這個變量里存放的就是地址（注意的是：如果局部變量是一個reference類型， 它引用的對象在Java堆中可被各個線程共享， 但是reference本身在Java棧的局部變量表中， 它是線程私有的。），它們是線程私有的。

我給出一個例子，大家來看一下局部變量是否是線程安全的

public class Demo {

  private int count = 0;

  public static void main(String[] args) {
    Demo d = new Demo();
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
      new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
          d.safeAdd();
        }
      }).start();
    }
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
      new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
          d.unSafeAdd();
        }
      }).start();
    }
  }

  public void unSafeAdd() {
    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
      ++count;
    }
    System.out.println("成員變量：" + count);
  }

  public void safeAdd() {
    int count = 0;
    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
      ++count;
    }
    System.out.println("局部變量：" + count);
  }
}

運行結(jié)果：
局部變量：10000
局部變量：10000
局部變量：10000
局部變量：10000
局部變量：10000
成員變量：10000
成員變量：20472
成員變量：29394
成員變量：40341
成員變量：43576

好了，了解完上面的，我們通過一張圖看一下JMM。

JMM.png

• 工作內(nèi)存
  我們知道，jvm實際上是通過線程來執(zhí)行程序的，在每個線程創(chuàng)建的時候，jvm會給它分配一個工作內(nèi)存，從JMM來看，數(shù)據(jù)線程私有數(shù)據(jù)區(qū)域，從某個程度上講則應(yīng)該包括程序計數(shù)器、虛擬機棧以及本地方法棧。從計算機硬件來看，工作內(nèi)存可能是Cache或者寄存器中。
• 主內(nèi)存
  主要存儲的是Java實例對象，所有線程創(chuàng)建的實例對象都存放在主內(nèi)存中，不管該實例對象是成員變量還是方法中的本地變量(也稱局部變量)，當(dāng)然也包括了共享的類信息、常量、靜態(tài)變量。（對比上面的局部變量來思考一下）在JMM中主內(nèi)存屬于共享數(shù)據(jù)區(qū)域，從某個程度上講應(yīng)該包括了堆和方法區(qū)，從計算機硬件來看，主內(nèi)存也就是我們的硬件內(nèi)存。
• 工作方式
  對于一個實例對象中的成員方法而言，如果方法中包含本地變量是基本數(shù)據(jù)類型，將直接存儲在工作內(nèi)存的幀棧結(jié)構(gòu)中，但倘若本地變量是引用類型，那么該變量的引用會存儲在功能內(nèi)存的幀棧中，而對象實例將存儲在主內(nèi)存(共享數(shù)據(jù)區(qū)域，堆)中。但對于實例對象的成員變量，不管它是基本數(shù)據(jù)類型還是引用類型，都會被存儲到堆區(qū)。至于static變量以及類本身相關(guān)信息將會存儲在主內(nèi)存中。需要注意的是，在主內(nèi)存中的實例對象可以被多線程共享，倘若兩個線程同時調(diào)用了同一個對象的同一個方法，那么兩條線程會將要操作的數(shù)據(jù)拷貝一份到自己的工作內(nèi)存中，執(zhí)行完成操作后才同步到主內(nèi)存。

最后我們來總結(jié)一下，JMM、java內(nèi)存區(qū)域以及計算機硬件之間的關(guān)系，

• JMM與java內(nèi)存區(qū)域：
  JMM實際上描述的是一種規(guī)則，是邏輯上的劃分。JMM與Java內(nèi)存區(qū)域唯一相似點，都存在共享數(shù)據(jù)區(qū)域和私有數(shù)據(jù)區(qū)域，在JMM中主內(nèi)存屬于共享數(shù)據(jù)區(qū)域，從某個程度上講應(yīng)該包括了堆和方法區(qū)，數(shù)據(jù)線程私有數(shù)據(jù)區(qū)域，從某個程度上講則應(yīng)該包括程序計數(shù)器、虛擬機棧以及本地方法棧。

• JMM與計算機內(nèi)存
  JVM中線程的操作最后都會映射到硬件上，在計算機硬件中，并沒有共享數(shù)據(jù)區(qū)域和私有數(shù)據(jù)區(qū)域的劃分，實際上都是在計算機內(nèi)存中。工作內(nèi)存可能是Cache或者寄存器中，主內(nèi)存可能直接對應(yīng)于硬件中的內(nèi)存。**

  
  
  JMM與計算機內(nèi)存