文：GentlemanTsao
前言：
Debug并发的bug通常十分困难，这些bug在测试阶段一般无法暴露，直到程序高负载时才被发现，而且很难复制和追踪问题。解决并发bug的关键不在于问题暴露以后，而是在设计时花更多的精力确保程序已经正确的同步了，这比debug一个漏洞百出的并发程序要轻松的多。
一个模型通常是为了解决一类问题而设计。Java内存模型（JMM）是为了解决并发中遇到的同步问题而产生的。所以，首先要讨论的是，程序并发执行时遇到了哪些问题？
1.可见性问题：麦琪的礼物
欧亨利的短篇小说《麦琪的礼物》讲述了这样的故事：麦琪和丈夫生活穷困，为了给彼此送圣诞礼物，麦琪卖掉长发换来表链，麦琪的丈夫卖掉金表换来梳子。他们都出于为对方着想，结果却都买了无用的礼物。为什么会这样？
假如把麦琪和麦琪的丈夫看作两个线程，长发和表链是两个变量的值。当其中一个线程更改变量的值后，另一个线程没能及时“看到”。
以下面的伪代码来表示
class 圣诞快乐{
String x = “长发”；
String y = “金表”；
public void 给丈夫买礼物{
//有金表，缺表链，所以用长发换表链
if（“金表”.equals(y)）{
x = "表链"；
}
}
public void 给麦琪买礼物{
//有长发，缺梳子，所以用金表换梳子
if（“长发”.equals(x)）{
y = "梳子"；
}
}
}线程“麦琪”调用方法“给丈夫买礼物”，将x的值改为“表链”；
同时另一个线程“丈夫”调用方法“给麦琪买礼物”，但仍然以为x的值是“长发”！因而又将y的值改为“梳子”。
为什么线程“丈夫”看不到x的改变？
缓存的设计
多核系统中CPU通常有多层缓存（cache），cache的目的是为了改善读取速度（因为缓存速度更快）以及减少内存总线的占用（对cache操作代替了内存操作）。Cache的设计极大的提升了性能，但是同时带来了问题。当多个核心同时访问同一块内存时，因为cache的存在，它们看到的值可能是不一样的。这是从CPU层面看可见性问题。
JMM设计思想1：
从CPU层面上，java内存模型定义了一个充分必要条件，让当前核心能够看到其他核心对内存的修改，并且其他核心也能够看到当前核心对内存的修改。
2. 有序性问题：编译器大厨的排序自由
一段代码的执行顺序并不一定是完全按照代码书写顺序来执行的。
不妨将书写代码想象成前台点菜，你以为后厨按照你的菜单顺序出菜。你点了下面的菜单：
class 顾客{
String x，y；
public void 点菜{
x = “水煮鱼”；
y = “番茄炒蛋”；
}
public void 去厨房端菜{
String plate1 = x;
String plate2 = y; // plate2有值的情况下，plate1一定有值吗？
}
}
编译器大厨接到菜单，认为“水煮鱼”这个菜很耗时，可以放到后面做，先把“番茄炒蛋”烧起来。因为出于效率考虑，编译器大厨可以自由安排炒菜顺序。
某一时刻你发现plate2的值是“番茄炒蛋”，这表示“番茄炒蛋”已经做好装盘了，这时我们会以为“水煮鱼”也应该做好了，因为从代码的书写顺序上看，它排在前面。可实际上并非如此，plate1的值可能还是null.
在只有一个线程的时候，这个问题不会被发现；但多个线程的情况下，编译器的重排序会带来错乱。
事实上，不仅编译器，CPU也可以对指令重排，只要两个指令之间没有先后依赖关系。
JMM设计思想2：
Java内存模型描述了程序中的变量和计算机系统底层的内存、寄存器存取操作的对应关系。它定义了多线程代码的合法行为，以及线程和内存的交互方式。
3.原子性问题：ATM机取款的安全保障
“原子”的涵义是不可分割，指的是一个操作不可中断，或者完成，或者没有开始。我们以ATM机取款为例。银行认为ATM取款（插卡，取款，拔卡）应该是一个原子操作，不可以分割。换句话说，必须防止客户A插入了银行卡以后，客户B过来取款的事情发生。
如果把每个取款客户看作一个线程，原子操作保证了线程之间不会干扰该操作，所以该操作是线程安全的。
Java中的原子操作是对基本数据类型变量的读取和赋值。
注意点：
必须是对基本数据类型，例如int，Boolean；
只包括读取和赋值，不包括加减等运算
例如：
x = 1； //原子
y = x； //不是原子，包含读取x和给y赋值两个操作，虽然这两个操作是原子的，但合起来却不是。
在下一篇我们将讨论JMM是如何解决以上的并发问题的。
想了解更多？访问这个专栏：
java并发和多线程教程2020版
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