内存模型相关
计算机在执行程序时，每条指令都是在CPU中执行的，而执行指令过程中，势必涉及到数据的读取和写入。由于程序运行过程中的临时数据是存放在主存（物理内存）当中的，这时就存在一个问题，由于CPU执行速度很快，而从内存读取数据和向内存写入数据的过程跟CPU执行指令的速度比起来要慢的多，因此如果任何时候对数据的操作都要通过和内存的交互来进行，会大大降低指令执行的速度。因此在CPU里面就有了高速缓存。
也就是，当程序在运行过程中，会将运算需要的数据从主存复制一份到CPU的高速缓存当中，那么CPU进行计算时就可以直接从它的高速缓存读取数据和向其中写入数据，当运算结束之后，再将高速缓存中的数据刷新到主存当中。
多线程情况下每个线程都有自己对共享变量的一份拷贝
比如下面的这段代码：
i = i + 1;
当线程执行这个语句时，会先从主存当中读取i的值，然后复制一份到高速缓存（上图中的本地内存）当中，然后CPU执行指令对i进行加1操作，然后将数据写入高速缓存，最后将高速缓存中i最新的值刷新到主存当中。
线程不安全情况：初始时，两个线程分别读取i的值存入各自所在的CPU的高速缓存当中，然后线程1进行加1操作，然后把i的最新值1写入到内存。此时线程2的高速缓存当中i的值还是0，进行加1操作之后，i的值为1，然后线程2把i的值写入内存。
最终结果i的值是1，而不是2。这就是著名的缓存一致性问题。通常称这种被多个线程访问的变量为共享变量。
所以，线程安全问题的前提：
共享变量的写操作 如果每个线程操作各自的变量，各自修改变量不影响，就不存在变量安全问题
多线程 单线程不存在线程安全问题
非原子操作 原子操作不被打断，多线程情况下只有一个线程进行操作，相当于天然有锁，但是执行速度快，性能影响不大，应该是跟底层编译器有关
线程不安全解决方法：
1）通过在总线加LOCK锁的方式，加锁情况只有一个线程可以访问，其它线程等待，性能与锁粒度成反比。
锁是用来做并发最简单的方式，当然其代价也是最高的。内核态的锁的时候需要操作系统进行一次上下文切换，加锁、释放锁会导致比较多的上下文切换和调度延时，等待锁的线程会被挂起直至锁释放。在上下文切换的时候，cpu之前缓存的指令和数据都将失效，对性能有很大的损失。操作系统对多线程的锁进行判断就像两姐妹在为一个玩具在争吵，然后操作系统就是能决定他们谁能拿到玩具的父母，这是很慢的。用户态的锁虽然避免了这些问题，但是其实它们只是在没有真实的竞争时才有效。
Java在JDK1.5之前都是靠synchronized关键字保证同步的，这种通过使用一致的锁定协议来协调对共享状态的访问，可以确保无论哪个线程持有守护变量的锁，都采用独占的方式来访问这些变量，如果出现多个线程同时访问锁，那第一些线线程将被挂起，当线程恢复执行时，必须等待其它线程执行完他们的时间片以后才能被调度执行，在挂起和恢复执行过程中存在着很大的开销。锁还存在着其它一些缺点，当一个线程正在等待锁时，它不能做任何事。如果一个线程在持有锁的情况下被延迟执行，那么所有需要这个锁的线程都无法执行下去。如果被阻塞的线程优先级高，而持有锁的线程优先级低，将会导致优先级反转(Priority Inversion)。
乐观锁与悲观锁
独占锁是一种悲观锁，synchronized就是一种独占锁，它假设最坏的情况，并且只有在确保其它线程不会造成干扰的情况下执行，会导致其它所有需要锁的线程挂起，等待持有锁的线程释放锁。而另一个更加有效的锁就是乐观锁。所谓乐观锁就是，每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。
2）通过缓存一致性协议
核心的思想是：当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态，因此当其他CPU需要读取这个变量时，发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的，那么它就会从内存重新读取。
3）无锁非租塞算法
要实现无锁（lock-free）的非阻塞算法有多种实现方法，其中CAS（比较与交换，Compare and swap）是一种有名的无锁算法。CAS, CPU指令，在大多数处理器架构，包括IA32、Space中采用的都是CAS指令，CAS的语义是“我认为V的值应该为A，如果是，那么将V的值更新为B，否则不修改并告诉V的值实际为多少”，CAS是项乐观锁技术，当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时，只有其中一个线程能更新变量的值，而其它线程都失败，失败的线程并不会被挂起，而是被告知这次竞争中失败，并可以再次尝试。CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。
CAS 操作是基于共享数据不会被修改的假设，采用了类似于数据库的 commit-retry 的模式。当同步冲突出现的机会很少时，这种假设能带来较大的性能提升。
CAS是CPU指令级的操作，只有一步原子操作，所以非常快.但是存在cache miss的情况。
相关概念
synchronized关键字
volatile变量
与锁相比，volatile变量是一和更轻量级的同步机制，因为在使用这些变量时不会发生上下文切换和线程调度等操作，但是volatile变量也存在一些局限：不能用于构建原子的复合操作，因此当一个变量依赖旧值时就不能使用volatile变量。volatile变量可以实现线程安全（特定情况），但其应用有限。
使用前提
对变量的写操作不依赖于当前值。
该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。
volatile只能保证变量对各个线程的可见性，但不能保证原子性。
volatile关键字修饰的变量不会被指令重排序优化。
可见性是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。当多个线程之间需要根据某个条件确定 哪个线程可以执行时，要确保这个条件在线程之间是可见的。因此，可以用volatile修饰。
有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。一般来说，处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。特定情况下这也会导致线程安全相关问题。
不要将volatile用在getAndOperate场合（这种场合不原子，需要再加锁），仅仅set或者get的场景是适合volatile的。
例如你让一个volatile的integer自增（i++），其实要分成3步：1）读取volatile变量值到local； 2）增加变量的值；3）把local的值写回，让其它的线程可见。这3步的jvm指令为：
mov 0xc(%r10),%r8d ; Load
inc %r8d ; Increment
mov %r8d,0xc(%r10) ; Store
lock addl $0x0,(%rsp) ; StoreLoad Barrier
注意最后一步是内存屏障。
内存屏障（memory barrier）是一个CPU指令。基本上，它是这样一条指令： a) 确保一些特定操作执行的顺序； b) 影响一些数据的可见性(可能是某些指令执行后的结果)。编译器和CPU可以在保证输出结果一样的情况下对指令重排序，使性能得到优化。插入一个内存屏障，相当于告诉CPU和编译器先于这个命令的必须先执行，后于这个命令的必须后执行。内存屏障另一个作用是强制更新一次不同CPU的缓存。例如，一个写屏障会把这个屏障前写入的数据刷新到缓存，这样任何试图读取该数据的线程将得到最新值，而不用考虑到底是被哪个cpu核心或者哪颗CPU执行的。
内存屏障（memory barrier）和volatile什么关系？上面的虚拟机指令里面有提到，如果你的字段是volatile，Java内存模型将在写操作后插入一个写屏障指令，在读操作前插入一个读屏障指令。这意味着如果你对一个volatile字段进行写操作，你必须知道：1、一旦你完成写入，任何访问这个字段的线程将会得到最新的值。2、在你写入前，会保证所有之前发生的事已经发生，并且任何更新过的数据值也是可见的，因为内存屏障会把之前的写入值都刷新到缓存。
volatile 与 synchronized 的比较
①volatile轻量级，只能修饰变量。synchronized重量级，还可修饰方法
②volatile只能保证数据的可见性，不能用来同步，因为多个线程并发访问volatile修饰的变量不会阻塞。
synchronized不仅保证可见性，而且还保证原子性，因为，只有获得了锁的线程才能进入临界区，从而保证临界区中的所有语句都全部执行。多个线程争抢synchronized锁对象时，会出现阻塞。
高并发环境下优化锁或无锁（lock-free）的设计思路
服务端编程的3大性能杀手：1、大量线程导致的线程切换开销。2、锁。3、非必要的内存拷贝。
在高并发下,对于纯内存操作来说,单线程是要比多线程快的, 可以比较一下多线程程序在压力测试下cpu的sy和ni百分比。高并发环境下要实现高吞吐量和线程安全，两个思路：一个是用优化的锁实现，一个是lock-free的无锁结构。但非阻塞算法要比基于锁的算法复杂得多。开发非阻塞算法是相当专业的训练，而且要证明算法的正确也极为困难，不仅和具体的目标机器平台和编译器相关，而且需要复杂的技巧和严格的测试。虽然Lock-Free编程非常困难，但是它通常可以带来比基于锁编程更高的吞吐量。所以LockFree编程是大有前途的技术。它在线程中止、优先级倒置以及信号安全等方面都有着良好的表现。
优化锁实现的例子：Java中的ConcurrentHashMap，设计巧妙，用桶粒度的锁和锁分离机制，避免了put和get中对整个map的锁定，尤其在get中，只对一个HashEntry做锁定操作，性能提升是显而易见的（详细分析见《探索 ConcurrentHashMap 高并发性的实现机制》）。
Lock-free无锁的例子：CAS（CPU的Compare-AndSwap指令）的利用和LMAX的disruptor无锁消息队列数据结构等。
ConcurrentLinkedQueue使用了CAS指令，但其性能并不高因为太多CAS操作
参考：
http://www.cnblogs.com/Mainz/p/3546347.html
http://www.cnblogs.com/lucifer1982/archive/2008/03/23/1116981.html
http://www.cnblogs.com/Mainz/p/3556430.html
http://www.cnblogs.com/hapjin/p/5492880.html
计算机在执行程序时，每条指令都是在CPU中执行的，而执行指令过程中，势必涉及到数据的读取和写入。由于程序运行过程中的临时数据是存放在主存（物理内存）当中的，这时就存在一个问题，由于CPU执行速度很快，而从内存读取数据和向内存写入数据的过程跟CPU执行指令的速度比起来要慢的多，因此如果任何时候对数据的操作都要通过和内存的交互来进行，会大大降低指令执行的速度。因此在CPU里面就有了高速缓存。
也就是，当程序在运行过程中，会将运算需要的数据从主存复制一份到CPU的高速缓存当中，那么CPU进行计算时就可以直接从它的高速缓存读取数据和向其中写入数据，当运算结束之后，再将高速缓存中的数据刷新到主存当中。
多线程情况下每个线程都有自己对共享变量的一份拷贝
比如下面的这段代码：
i = i + 1;
当线程执行这个语句时，会先从主存当中读取i的值，然后复制一份到高速缓存（上图中的本地内存）当中，然后CPU执行指令对i进行加1操作，然后将数据写入高速缓存，最后将高速缓存中i最新的值刷新到主存当中。
线程不安全情况：初始时，两个线程分别读取i的值存入各自所在的CPU的高速缓存当中，然后线程1进行加1操作，然后把i的最新值1写入到内存。此时线程2的高速缓存当中i的值还是0，进行加1操作之后，i的值为1，然后线程2把i的值写入内存。
最终结果i的值是1，而不是2。这就是著名的缓存一致性问题。通常称这种被多个线程访问的变量为共享变量。
所以，线程安全问题的前提：
共享变量的写操作 如果每个线程操作各自的变量，各自修改变量不影响，就不存在变量安全问题
多线程 单线程不存在线程安全问题
非原子操作 原子操作不被打断，多线程情况下只有一个线程进行操作，相当于天然有锁，但是执行速度快，性能影响不大，应该是跟底层编译器有关
线程不安全解决方法：
1）通过在总线加LOCK锁的方式，加锁情况只有一个线程可以访问，其它线程等待，性能与锁粒度成反比。
锁是用来做并发最简单的方式，当然其代价也是最高的。内核态的锁的时候需要操作系统进行一次上下文切换，加锁、释放锁会导致比较多的上下文切换和调度延时，等待锁的线程会被挂起直至锁释放。在上下文切换的时候，cpu之前缓存的指令和数据都将失效，对性能有很大的损失。操作系统对多线程的锁进行判断就像两姐妹在为一个玩具在争吵，然后操作系统就是能决定他们谁能拿到玩具的父母，这是很慢的。用户态的锁虽然避免了这些问题，但是其实它们只是在没有真实的竞争时才有效。
Java在JDK1.5之前都是靠synchronized关键字保证同步的，这种通过使用一致的锁定协议来协调对共享状态的访问，可以确保无论哪个线程持有守护变量的锁，都采用独占的方式来访问这些变量，如果出现多个线程同时访问锁，那第一些线线程将被挂起，当线程恢复执行时，必须等待其它线程执行完他们的时间片以后才能被调度执行，在挂起和恢复执行过程中存在着很大的开销。锁还存在着其它一些缺点，当一个线程正在等待锁时，它不能做任何事。如果一个线程在持有锁的情况下被延迟执行，那么所有需要这个锁的线程都无法执行下去。如果被阻塞的线程优先级高，而持有锁的线程优先级低，将会导致优先级反转(Priority Inversion)。
乐观锁与悲观锁
独占锁是一种悲观锁，synchronized就是一种独占锁，它假设最坏的情况，并且只有在确保其它线程不会造成干扰的情况下执行，会导致其它所有需要锁的线程挂起，等待持有锁的线程释放锁。而另一个更加有效的锁就是乐观锁。所谓乐观锁就是，每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。
2）通过缓存一致性协议
核心的思想是：当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态，因此当其他CPU需要读取这个变量时，发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的，那么它就会从内存重新读取。
3）无锁非租塞算法
要实现无锁（lock-free）的非阻塞算法有多种实现方法，其中CAS（比较与交换，Compare and swap）是一种有名的无锁算法。CAS, CPU指令，在大多数处理器架构，包括IA32、Space中采用的都是CAS指令，CAS的语义是“我认为V的值应该为A，如果是，那么将V的值更新为B，否则不修改并告诉V的值实际为多少”，CAS是项乐观锁技术，当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时，只有其中一个线程能更新变量的值，而其它线程都失败，失败的线程并不会被挂起，而是被告知这次竞争中失败，并可以再次尝试。CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。
CAS 操作是基于共享数据不会被修改的假设，采用了类似于数据库的 commit-retry 的模式。当同步冲突出现的机会很少时，这种假设能带来较大的性能提升。
CAS是CPU指令级的操作，只有一步原子操作，所以非常快.但是存在cache miss的情况。
相关概念
synchronized关键字
synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码，那么就会很影响程序执行效率。
synchronized实现线程安全也是有条件的
示例代码如下：
Public synchronized void methodAAA()
{
//….
}
这也就是同步方法，那这时synchronized锁定的是哪个对象呢？它锁定的是调用这个同步方法对象。也就是说，当一个对象P1在不同的线程中
执行这个同步方法时，它们之间会形成互斥，达到同步的效果。但是这个对象所属的Class所产生的另一对象P2却可以任意调用这个被加了
synchronized关键字的方法。
扫描二维码关注公众号，回复：
176446 查看本文章
上边的示例代码等同于如下代码：
public void methodAAA()
{
synchronized (this) // (1)
{
//…..
}
}
(1)处的this指的是什么呢？它指的就是调用这个方法的对象，如P1。可见同步方法实质是将synchronized作用于object reference。――那个
拿到了P1对象锁的线程，才可以调用P1的同步方法，而对P2而言，P1这个锁与它毫不相干，程序也可能在这种情形下摆脱同步机制的控制，造
成数据混乱
具体分析见http://www.cnblogs.com/GnagWang/archive/2011/02/27/1966606.html
volatile变量
与锁相比，volatile变量是一和更轻量级的同步机制，因为在使用这些变量时不会发生上下文切换和线程调度等操作，但是volatile变量也存在一些局限：不能用于构建原子的复合操作，因此当一个变量依赖旧值时就不能使用volatile变量。volatile变量可以实现线程安全（特定情况），但其应用有限。
使用前提
对变量的写操作不依赖于当前值。
该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。
volatile只能保证变量对各个线程的可见性，但不能保证原子性。
volatile关键字修饰的变量不会被指令重排序优化。
可见性是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。当多个线程之间需要根据某个条件确定 哪个线程可以执行时，要确保这个条件在线程之间是可见的。因此，可以用volatile修饰。
有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。一般来说，处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。特定情况下这也会导致线程安全相关问题。
不要将volatile用在getAndOperate场合（这种场合不原子，需要再加锁），仅仅set或者get的场景是适合volatile的。
例如你让一个volatile的integer自增（i++），其实要分成3步：1）读取volatile变量值到local； 2）增加变量的值；3）把local的值写回，让其它的线程可见。这3步的jvm指令为：
mov 0xc(%r10),%r8d ; Load
inc %r8d ; Increment
mov %r8d,0xc(%r10) ; Store
lock addl $0x0,(%rsp) ; StoreLoad Barrier
注意最后一步是内存屏障。
内存屏障（memory barrier）是一个CPU指令。基本上，它是这样一条指令： a) 确保一些特定操作执行的顺序； b) 影响一些数据的可见性(可能是某些指令执行后的结果)。编译器和CPU可以在保证输出结果一样的情况下对指令重排序，使性能得到优化。插入一个内存屏障，相当于告诉CPU和编译器先于这个命令的必须先执行，后于这个命令的必须后执行。内存屏障另一个作用是强制更新一次不同CPU的缓存。例如，一个写屏障会把这个屏障前写入的数据刷新到缓存，这样任何试图读取该数据的线程将得到最新值，而不用考虑到底是被哪个cpu核心或者哪颗CPU执行的。
内存屏障（memory barrier）和volatile什么关系？上面的虚拟机指令里面有提到，如果你的字段是volatile，Java内存模型将在写操作后插入一个写屏障指令，在读操作前插入一个读屏障指令。这意味着如果你对一个volatile字段进行写操作，你必须知道：1、一旦你完成写入，任何访问这个字段的线程将会得到最新的值。2、在你写入前，会保证所有之前发生的事已经发生，并且任何更新过的数据值也是可见的，因为内存屏障会把之前的写入值都刷新到缓存。
volatile 与 synchronized 的比较
①volatile轻量级，只能修饰变量。synchronized重量级，还可修饰方法
②volatile只能保证数据的可见性，不能用来同步，因为多个线程并发访问volatile修饰的变量不会阻塞。
synchronized不仅保证可见性，而且还保证原子性，因为，只有获得了锁的线程才能进入临界区，从而保证临界区中的所有语句都全部执行。多个线程争抢synchronized锁对象时，会出现阻塞。
高并发环境下优化锁或无锁（lock-free）的设计思路
服务端编程的3大性能杀手：1、大量线程导致的线程切换开销。2、锁。3、非必要的内存拷贝。
在高并发下,对于纯内存操作来说,单线程是要比多线程快的, 可以比较一下多线程程序在压力测试下cpu的sy和ni百分比。高并发环境下要实现高吞吐量和线程安全，两个思路：一个是用优化的锁实现，一个是lock-free的无锁结构。但非阻塞算法要比基于锁的算法复杂得多。开发非阻塞算法是相当专业的训练，而且要证明算法的正确也极为困难，不仅和具体的目标机器平台和编译器相关，而且需要复杂的技巧和严格的测试。虽然Lock-Free编程非常困难，但是它通常可以带来比基于锁编程更高的吞吐量。所以LockFree编程是大有前途的技术。它在线程中止、优先级倒置以及信号安全等方面都有着良好的表现。
优化锁实现的例子：Java中的ConcurrentHashMap，设计巧妙，用桶粒度的锁和锁分离机制，避免了put和get中对整个map的锁定，尤其在get中，只对一个HashEntry做锁定操作，性能提升是显而易见的（详细分析见《探索 ConcurrentHashMap 高并发性的实现机制》）。
Lock-free无锁的例子：CAS（CPU的Compare-AndSwap指令）的利用和LMAX的disruptor无锁消息队列数据结构等。
ConcurrentLinkedQueue使用了CAS指令，但其性能并不高因为太多CAS操作
参考：
http://www.cnblogs.com/Mainz/p/3546347.html
http://www.cnblogs.com/lucifer1982/archive/2008/03/23/1116981.html
http://www.cnblogs.com/Mainz/p/3556430.html
http://www.cnblogs.com/hapjin/p/5492880.html
http://blog.csdn.net/li295214001/article/details/48135939/
JAVA CAS原理深度分析 concurrent实现:http://blog.csdn.net/xinyuan_java/article/details/52161101