>>内存模型与线程
1.1Java内存模型
Java内存模型的主要目的是定义程序中各种变量的访问规则，即关注在虚拟机中把变量值存储到内存和从内存中取出变量值这样的底层细节。
此处的变量(Variables)与Java编程中所说的变量有所区别，包括了实例字段、静态字段、和构成数组对象的元素，但是不包括局部变量与方法参数，因为后者是私有的，不会被共享，自然就不会存在竞争问题。
Java内存模型规定了所有的变量都存储到主内存中(Main Memory)。每条线程都有自己的工作内存(Working Memory)，线程的工作内存中保存了被该线程使用的变量的主内存副本，线程对变量的所有操作(读取、赋值等)都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存的数据，不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量。线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成，线程、主内存、工作内存三者的交互关系如下所示。
1.2内存间交互操作
关于主内存与工作内存之间具体的交互协议，即一个变量是如何从主内存中拷贝到工作内存、如果从工作内存同步回主内存这一类的实现细节，Java内存模型中定义了以下8种操作来完成，Java虚拟机实现时必须保证下面提及的每一种操作都是原子性的、不可再分的(对于long double类型的变量来说，load、store、read、write操作在某些平台上允许有例外)。
- lock(锁定) ： 作用与主内存的变量，它
把一个变量表示为一条线程独占的状态 - unlock(解锁)： 作用于主内存中的变量，
将一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定. - read(读取)： 作用于主内存中的变量，它
把一个变量的值从主内存输出到线程的工作内存，以便随后的load使用. - **load(加载)：**作用于工作内存的变量，它
把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本里. - **use(使用)：**作用于工作内存的变量，它
把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇见一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作. assign(赋值)总用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收的值赋给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。- **store(存储)**作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write操作使用.
- **write(写入)：**作用于主内存的变量，
将store操作从工作内存中的得到的变量值放入主内存的变量中。
如果要把一个变量从主内存拷贝到工作内存，那就要按照顺序执行read和load操作，如果要求把变量从工作内存同步到主内存，就要按顺序执行store和write操作。
注意： Java内存模型只要求上述两个操作必须按照顺序执行，但不要求是连续执行 也就是说read与load之间 store与write之间是可以插入其他指令的，如对主内存中的变量a，b进行访问时，一种可能出现的顺序是read a, read b, load a, load b，初次之外，Java内存模型还规定了在执行上述8中基本操作时必须满足如下规则。
- 不允许read和load、store和write操作之一单独出现，即不允许一个变量从主内存读取了但工作内存不接受，或者工作内存发起回写了但是主内存不接受的情况出现
- 不允许一个线程丢弃离他最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存。
- 一个新的变量只允许在主内存中"诞生"，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化(load和assign)的变量，换句话说就是对一个变量实施use，store操作之前，必须先执行assign和load操作
- 一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行加锁lock操作，但lock操作可以被同一条线程重复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁
- 如果对一个变量执行lock操作，那将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，需要重新执行load或assign操作以初始化变量的值。
- 如果对一个变量事先没有被lock操作锁定，那就不允许对它执行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量
- 对一个变量执行unlock之前，必须先把此变量同步回主内存中(执行store、write)
(synchronized和final保证可见行的原理)
1.3volatile型变量的特殊规则
关键字volatile可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制，但是它并不容易被正确、完整的理解。
当一个变量被定义成volatile之后，它将具备两项特性: 第一项是保证此变量对所有线程的可见性，这里的"可见性"是指当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的(将其他线程的工作内存中的这个变量失效，强制去主存中读取)。而普通变量并不能做到这一点，普通变量的值在线程间传递时均需要通过主内存来完成，比如，线程A修改一个普通变量的值，然后向主内存进行回写，另外一条线程B在线程A回写完成了之后在对主内存进行读取操作，新变量的值才会对线程B可见。
关于volatile变量的可见性，经常会被开发人员误解，他们会认为下面的描述是正确的:“volatile变量对所有的线程都是立即可见的，对volatile变量所有的写操作都能立刻反映到其他线程之中，换句话说，volatile变量在各个线程中是一致的，所以基于volatile变量的运算在并发下是线程安全的”。这句话的前半句并没有错，但是由其论据并不能得出"基于volatile变量的运算在并发下是线程安全的"这样的结论。volatile变量在各个线程的工作内存是不存在一致性问题的(从物理存储角度看，各个线程的工作内存中volatile变量也可以存在不一致的情况，但由于每次使用之前都要先刷新，执行引擎看不到不一致的情况，因此可以认为不存在一致性的问题)，但是Java里面的运算操作符并非是原子操作，这导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的。
a ++操作
a++操作，在多线程下不是安全的。
我们使用javap反编译后会得到代码清单，发现++操作在Class文件中是由4条字节码指令构成的，从字节码层面上已经很容易分析出并发失败的原因了：
当getstatic指令将a的值取到操作栈顶时，volatile关键字保证了a的值在此时是正确的，但是子执行iconst_1、iadd这些指令的时候，其他线程可能已经把a的值改变了，而操作栈顶的值就变成了过期的数据，所以putstatic指令执行后就可以能把较小的race值同步回主内存之中。
getstatic //取数
iconst_1 //准备常量
iadd //自增
putstatic //放入栈
由于volatile变量只能保证可见性，在不符合一下两条规则的运算场景中，我们仍然要通过加锁(使用synchronized、java.util.concurrent中的锁或者原子类)来保证原子性。
- 运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值
- 变量不需要与其他状态变量共同参与不变约束。
volatile变量的第二个语义是禁止指令重排序优化
普通的变量仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能取到正确的结果，而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。
通过对比发现，有volatile修饰的变量，赋值后多执行了一个**“lock xxx”**的操作，这个操作的作用相当于一个内存屏障(Memory Barrier，指重排序时不能把后面的指令排序到内存屏障之前的位置) 只有一个处理器访问内存时，并不需要内存屏障，但如果有两个或更多处理器访问同一个块内存，且其中有一个在观测另一个，就需要内存屏障来保证一致性了。
**原理就在于lock前缀，查询IA32手册可知，它的作用是将本处理器的缓存写入了内存(为变量赋值后直接写入内存)，该写入动作也会引起别的处理器或者别的内核无效化其缓存(将其他线程的工作内存中的此变量值失效，强制从主存中读取)。所以通过这样的一个操作，可让前面volatile变量的修改对其他处理器立即可见**
那为何说它禁止指令重排序呢？从硬件架构上讲，指令重排序是处理器采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各个相应的电路单元进行处理，但并不是说指令任意重排，处理器必须能够正确处理指令依赖情况保证程序能够得出正确的执行结果。
Java内存模型中对volatile变量定义的特殊规则的定义，假设T表示一个线程，V和W分别表示两个volatile型变量，那么在进行read、load、use、assign、store、write操作时需要满足如下规则。
- 1、要求在工作内存中，每次使用V前都必须先从主内存刷新最新的值，用于保证能看见其他线程对变量V所作的修改
- 2、要求在工作内存中，每次修改V后都必须立刻同步回主内存，用于保证其他线程可以看到自己对变量V所作的修改
- 3、要求volatile修饰的变量不会被指令重排序优化，从而保证代码的执行顺序与程序的顺序相同。
1.4针对long和double型变量的特殊规则
Java内存模型要求lock、unlock、read、load、assign、use、store、write、这八种操作都有原子性，但是对于64位的数据类型(long和double)，在模型中特别定义了一条宽松的规定：允许虚拟机将没有被volatile修饰的64位数据的读写操作划分为两次32位的操作来进行，即允许虚拟机实现自行选择是否要保证64位数据类型的load、store、read和write这四个操作的原子性，这就是所谓的"long和double的非原子性协定"
如果有多个线程共享一个未被声明为volatile的long或double类型的变量，并且同时对它们进行读取和修改操作，那么某些线程可能会读取到一个既不是原值，也不是其他线程修改值的代表了"半个变量"的数值，不过这种情况是非常罕见的。
1.5原子性、可见行与有序性
介绍完Java内存模型的相关操作后和规则后，我们再整体回顾一下这个模型的特征。Java内存模型是围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见行与有序性这三个特征来建立的，我们逐个来看一下哪些操作实现了这三个特性。
原子性(Atomicity)
由Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、load、assign、use、store和write这六个，我们大致可以认为，基本数据类型的访问、读写都是具备原子性的(例外就是long和double的非原子性规定，只要知道这件事就可以了，无须太过在意这些几乎不会发生的例外情况)。
如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证(经常会遇到)，Java内存模型还提供了lock和unlock操作来满足这种需求，尽管虚拟机未把lock和unlock操作直接开放给用户使用，这两个字节码指令反映到Java代码中就是synchronized和lock/unlock关键字。
注意：volatile不能保证原子性。
可见性(Visbility)
可见性就是指当一个线程修改了共享变量的值时，其他线程能够立即得知这个修改
Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存作为传递媒介的方式来实现可见性的。 无论是普通变量还是volatile变量都是如此。volatile的特殊规则保证了新值能够立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存中刷新 而普通变量则不能保证这一点。
除了volatile之外，Java还有两个关键字可以实现可见性，它们是synchronized和final。synchronized的可见性是由"对一个变量执行unlock之前，必须 先把此变量同步回主内存中(执行store、write操作)"这条规则获得的。
而final关键字的可见性是指：被final修饰的字段在构造器中一旦被初始化完成，并且构造器没有把this的引用传递出去(this引用逃逸是一件很危险的事情，其他线程可能通过这个引用访问到初始化了一半的对象)。那么在其他线程就能看见final字段的值。
有序性(Ordering)
Java程序中天然的有序性可以总结为一句话，如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的; 如果在一个线程中观察另一个线程，所有的操作都是无序的。前半句是指"线程内似表现为串行的语义"，后半句是指"指令重排序"现象和"工作内存与主内存同步延迟"现象。
Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性，volatile关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义。
而synchronized则是由"一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作"这条规则获得的，这个规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。
总结
介绍完并发中三种重要的特性，我们可以发现synchronized关键字在需要这三种特性时候都可以作为其中一种的解决方案，synchronized保证了原子性、可见性、有序性。volatile保证了可将性和有序性。
1.6先行发生原则&Java与线程
参照路飞大佬笔记
以HotSpot为例，它的每一个Java线程都是直接映射到一个操作系统原生线程来实现的，而且中间没有额外的间接结构，所以HotSpot自己是不会干涉线程调度的(可以设置线程优先级给操作系统提供调度建议)全权交给底下的操作系统去处理，所以何时冻结或者唤醒线程、该给线程分配多少处理器执行时间、该把线程安排给哪个处理器核心去执行等，都是由操作系统完成的，也都是由操作系统全权决定的。