一、可见性、原子性和有序性
CPU、内存、I/O 设备核心矛盾就是这三者的速度差异。解决方法
- CPU 增加了缓存，以均衡与内存的速度差异；
- 操作系统增加了进程、线程，以分时复用 CPU，进而均衡 CPU 与 I/O 设备的速度差异；
- 编译程序优化指令执行次序，使得缓存能够得到更加合理地利用。
缓存导致的可见性问题
一个线程对共享变量的修改，另外一个线程能够立刻看到，我们称为可见性。
单核：
多核：
线程切换带来的原子性问题
操作系统允许某个进程执行一小段时间，例如 50 毫秒，过了 50 毫秒操作系统就会重新选择一个进程来执行（我们称为“任务切换”），这个 50 毫秒称为 “时间片”。
高级语言里一条语句往往需要多条 CPU 指令完成，例如count += 1，至少需要三条 CPU 指令。
- 指令 1：首先，需要把变量 count 从内存加载到 CPU 的寄存器；
- 指令 2：之后，在寄存器中执行 +1 操作；
- 指令 3：最后，将结果写入内存（缓存机制导致可能写入的是 CPU 缓存而不是内存）。
我们把一个或者多个操作在 CPU 执行的过程中不被中断的特性称为原子性。
编译优化带来的有序性问题
双重检查创建单例对象。
public class Singleton {
static Singleton instance;
static Singleton getInstance(){
if (instance == null) {
synchronized(Singleton.class) {
if (instance == null)
instance = new Singleton();
}
}
return instance;
}
}
假设有两个线程 A、B 同时调用 getInstance() 方法，他们会同时发现 instance == null ，于是同时对 Singleton.class 加锁，此时 JVM 保证只有一个线程能够加锁成功（假设是线程 A），另外一个线程则会处于等待状态（假设是线程 B）；线程 A 会创建一个 Singleton 实例，之后释放锁，锁释放后，线程 B 被唤醒，线程 B 再次尝试加锁，此时是可以加锁成功的，加锁成功后，线程 B 检查 instance == null 时会发现，已经创建过 Singleton 实例了，所以线程 B 不会再创建一个 Singleton 实例。
这看上去一切都很完美，无懈可击，但实际上这个 getInstance() 方法并不完美。问题出在哪里呢？出在 new 操作上，我们以为的 new 操作应该是：
- 分配一块内存 M；
- 在内存 M 上初始化 Singleton 对象；
- 然后 M 的地址赋值给 instance 变量。
但是实际上优化后的执行路径却是这样的：
- 分配一块内存 M；
- 将 M 的地址赋值给 instance 变量；
- 最后在内存 M 上初始化 Singleton 对象。
优化后会导致什么问题呢？我们假设线程 A 先执行 getInstance() 方法，当执行完指令 2 时恰好发生了线程切换，切换到了线程 B 上；如果此时线程 B 也执行 getInstance() 方法，那么线程 B 在执行第一个判断时会发现 instance != null ，所以直接返回 instance，而此时的 instance 是没有初始化过的，如果我们这个时候访问 instance 的成员变量就可能触发空指针异常。
二、Java内存模型
什么是 Java 内存模型？
Java 内存模型规范了 JVM 如何提供按需禁用缓存和编译优化的方法。具体来说，这些方法包括 volatile、synchronized 和 final 三个关键字，以及六项 Happens-Before 规则。
使用 volatile 的困惑
例如，我们声明一个 volatile 变量 volatile int x = 0，它表达的是：告诉编译器，对这个变量的读写，不能使用 CPU 缓存，必须从内存中读取或者写入。
例如下面的示例代码，假设线程 A 执行 writer() 方法，按照 volatile 语义，会把变量 “v=true” 写入内存；假设线程 B 执行 reader() 方法，同样按照 volatile 语义，线程 B 会从内存中读取变量 v，如果线程 B 看到 “v == true” 时，那么线程 B 看到的变量 x 是多少呢？
直觉上看，应该是 42，那实际应该是多少呢？这个要看 Java 的版本，如果在低于 1.5 版本上运行，x 可能是 42，也有可能是 0；如果在 1.5 以上的版本上运行，x 就是等于 42。
class VolatileExample {
int x = 0;
volatile boolean v = false;
public void writer() {
x = 42;
v = true;
}
public void reader() {
if (v == true) {
// 这里 x 会是多少呢？
}
}
}
分析一下，为什么 1.5 以前的版本会出现 x = 0 的情况呢？我相信你一定想到了，变量 x 可能被 CPU 缓存而导致可见性问题。这个问题在 1.5 版本已经被圆满解决了。Java 内存模型在 1.5 版本对 volatile 语义进行了增强。怎么增强的呢？答案是一项 Happens-Before 规则。
Happens-Before 规则
前面一个操作的结果对后续操作是可见的。 Happens-Before 约束了编译器的优化行为，虽允许编译器优化，但是要求编译器优化后一定遵守 Happens-Before 规则。
1. 程序的顺序性规则
指在一个线程中，按照程序顺序，前面的操作 Happens-Before 于后续的任意操作。比如刚才那段示例代码，按照程序的顺序，第 6 行代码 “x = 42;” Happens-Before 于第 7 行代码 “v = true;”。
2. volatile 变量规则
指对一个 volatile 变量的写操作， Happens-Before 于后续对这个 volatile 变量的读操作。
这个就有点费解了，对一个 volatile 变量的写操作相对于后续对这个 volatile 变量的读操作可见，这怎么看都是禁用缓存的意思啊，貌似和 1.5 版本以前的语义没有变化啊？如果单看这个规则，的确是这样，但是如果我们关联一下规则 3，就有点不一样的感觉了。
3. 传递性
这条规则是指如果 A Happens-Before B，且 B Happens-Before C，那么 A Happens-Before C。
从图中，我们可以看到：
- “x=42” Happens-Before 写变量 “v=true” ，这是规则 1 的内容；
- 写变量“v=true” Happens-Before 读变量 “v=true”，这是规则 2 的内容 。
再根据这个传递性规则，我们得到结果：“x=42” Happens-Before 读变量“v=true”。这意味着什么呢？
如果线程 B 读到了“v=true”，那么线程 A 设置的“x=42”对线程 B 是可见的。也就是说，线程 B 能看到 “x == 42” ，有没有一种恍然大悟的感觉？这就是 1.5 版本对 volatile 语义的增强，这个增强意义重大，1.5 版本的并发工具包（java.util.concurrent）就是靠 volatile 语义来搞定可见性的，这个在后面的内容中会详细介绍。
4. 管程中锁的规则
是指对一个锁的解锁 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁。
要理解这个规则，就首先要了解“管程指的是什么”。管程是一种通用的同步原语，在 Java 中指的就是 synchronized，synchronized 是 Java 里对管程的实现。
管程中的锁在 Java 里是隐式实现的，例如下面的代码，在进入同步块之前，会自动加锁，而在代码块执行完会自动释放锁，加锁以及释放锁都是编译器帮我们实现的。
synchronized (this) { // 此处自动加锁
// x 是共享变量, 初始值 =10
if (this.x < 12) {
this.x = 12;
}
} // 此处自动解锁
所以结合规则 4——管程中锁的规则，可以这样理解：假设 x 的初始值是 10，线程 A 执行完代码块后 x 的值会变成 12（执行完自动释放锁），线程 B 进入代码块时，能够看到线程 A 对 x 的写操作，也就是线程 B 能够看到 x==12。这个也是符合我们直觉的，应该不难理解。
5. 线程 start() 规则
这条是关于线程启动的。它是指主线程 A 启动子线程 B 后，子线程 B 能够看到主线程在启动子线程 B 前的操作。
换句话说就是，如果线程 A 调用线程 B 的 start() 方法（即在线程 A 中启动线程 B），那么该 start() 操作 Happens-Before 于线程 B 中的任意操作。
Thread B = new Thread(()->{
// 主线程调用 B.start() 之前
// 所有对共享变量的修改，此处皆可见
// 此例中，var==77
});
// 此处对共享变量 var 修改
var = 77;
// 主线程启动子线程
B.start();
6. 线程 join() 规则
这条是关于线程等待的。它是指主线程 A 等待子线程 B 完成（主线程 A 通过调用子线程 B 的 join() 方法实现），当子线程 B 完成后（主线程 A 中 join() 方法返回），主线程能够看到子线程的操作。当然所谓的“看到”，指的是对共享变量的操作。
换句话说就是，如果在线程 A 中，调用线程 B 的 join() 并成功返回，那么线程 B 中的任意操作 Happens-Before 于该 join() 操作的返回。
Thread B = new Thread(()->{
// 此处对共享变量 var 修改
var = 66;
});
// 例如此处对共享变量修改，
// 则这个修改结果对线程 B 可见
// 主线程启动子线程
B.start();
B.join()
// 子线程所有对共享变量的修改
// 在主线程调用 B.join() 之后皆可见
// 此例中，var==66
final
前面我们讲 volatile 为的是禁用缓存以及编译优化，我们再从另外一个方面来看，有没有办法告诉编译器优化得更好一点呢？这个可以有，就是final 关键字。
final 修饰变量时，初衷是告诉编译器：这个变量生而不变，可以可劲儿优化。Java 编译器在 1.5 以前的版本的确优化得很努力，以至于都优化错了。
当然了，在 1.5 以后 Java 内存模型对 final 类型变量的重排进行了约束。现在只要我们提供正确构造函数没有“逸出”，就不会出问题了。
“逸出”有点抽象，我们还是举个例子吧，在下面例子中，在构造函数里面将 this 赋值给了全局变量 global.obj，这就是“逸出”，线程通过 global.obj 读取 x 是有可能读到 0 的。因此我们一定要避免“逸出”。
final int x;
// 错误的构造函数
public FinalFieldExample() {
x = 3;
y = 4;
// 此处就是讲 this 逸出，
global.obj = this;
}
Happens-Before 规则最初是在一篇叫做Time, Clocks, and the Ordering of Events in a Distributed System的论文中提出来的，在这篇论文中，Happens-Before 的语义是一种因果关系。在现实世界里，如果 A 事件是导致 B 事件的起因，那么 A 事件一定是先于（Happens-Before）B 事件发生的，这个就是 Happens-Before 语义的现实理解。
在 Java 语言里面，Happens-Before 的语义本质上是一种可见性，A Happens-Before B 意味着 A 事件对 B 事件来说是可见的，无论 A 事件和 B 事件是否发生在同一个线程里。例如 A 事件发生在线程 1 上，B 事件发生在线程 2 上，Happens-Before 规则保证线程 2 上也能看到 A 事件的发生。
三、互斥锁
原子性问题该如何解决？
原子性问题的源头是线程切换，如果能够禁用线程切换那不就能解决这个问题了吗？而操作系统做线程切换是依赖 CPU 中断的，所以禁止 CPU 发生中断就能够禁止线程切换。
在早期单核 CPU 时代，这个方案的确是可行的，而且也有很多应用案例，但是并不适合多核场景。这里我们以 32 位 CPU 上执行 long 型变量的写操作为例来说明这个问题，long 型变量是 64 位，在 32 位 CPU 上执行写操作会被拆分成两次写操作（写高 32 位和写低 32 位，如下图所示）。
在单核 CPU 场景下，同一时刻只有一个线程执行，禁止 CPU 中断，意味着操作系统不会重新调度线程，也就是禁止了线程切换，获得 CPU 使用权的线程就可以不间断地执行，所以两次写操作一定是：要么都被执行，要么都没有被执行，具有原子性。
但是在多核场景下，同一时刻，有可能有两个线程同时在执行，一个线程执行在 CPU-1 上，一个线程执行在 CPU-2 上，此时禁止 CPU 中断，只能保证 CPU 上的线程连续执行，并不能保证同一时刻只有一个线程执行，如果这两个线程同时写 long 型变量高 32 位的话，那就有可能出现我们开头提及的诡异 Bug 了。
“同一时刻只有一个线程执行”这个条件非常重要，我们称之为互斥。如果我们能够保证对共享变量的修改是互斥的，那么，无论是单核 CPU 还是多核 CPU，就都能保证原子性了。
简易锁模型
我们把一段需要互斥执行的代码称为临界区。
改进后的锁模型
在现实世界里，锁和锁要保护的资源是有对应关系的，比如你用你家的锁保护你家的东西，我用我家的锁保护我家的东西。在并发编程世界里，锁和资源也应该有这个关系。
首先，我们要把临界区要保护的资源标注出来，如图中临界区里增加了一个元素：受保护的资源 R；其次，我们要保护资源 R 就得为它创建一把锁 LR；最后，针对这把锁 LR，我们还需在进出临界区时添上加锁操作和解锁操作。另外，在锁 LR 和受保护资源之间，我特地用一条线做了关联，这个关联关系非常重要。很多并发 Bug 的出现都是因为把它忽略了，然后就出现了类似锁自家门来保护他家资产的事情，这样的 Bug 非常不好诊断，因为潜意识里我们认为已经正确加锁了。
Java 语言提供的锁技术：synchronized
class X {
// 修饰非静态方法
synchronized void foo() {
// 临界区
}
// 修饰静态方法
synchronized static void bar() {
// 临界区
}
// 修饰代码块
Object obj = new Object()；
void baz() {
synchronized(obj) {
// 临界区
}
}
}
当修饰静态方法的时候，锁定的是当前类的 Class 对象，在上面的例子中就是 Class X；
当修饰非静态方法的时候，锁定的是当前实例对象 this。
对于上面的例子，synchronized 修饰静态方法相当于:
class X {
// 修饰静态方法
synchronized(X.class) static void bar() {
// 临界区
}
}
修饰非静态方法，相当于：
class X {
// 修饰非静态方法
synchronized(this) void foo() {
// 临界区
}
}
锁和受保护资源的关系
受保护资源和锁之间的关联关系非常重要，他们的关系是怎样的呢？一个合理的关系是：受保护资源和锁之间的关联关系是 N:1 的关系。还拿前面球赛门票的管理来类比，就是一个座位，我们只能用一张票来保护，如果多发了重复的票，那就要打架了。现实世界里，我们可以用多把锁来保护同一个资源，但在并发领域是不行的，并发领域的锁和现实世界的锁不是完全匹配的。不过倒是可以用同一把锁来保护多个资源，这个对应到现实世界就是我们所谓的“包场”了。
上面那个例子我稍作改动，把 value 改成静态变量，把 addOne() 方法改成静态方法，此时 get() 方法和 addOne() 方法是否存在并发问题呢？
class SafeCalc {
static long value = 0L;
synchronized long get() {
return value;
}
synchronized static void addOne() {
value += 1;
}
}
如果你仔细观察，就会发现改动后的代码是用两个锁保护一个资源。这个受保护的资源就是静态变量 value，两个锁分别是 this 和 SafeCalc.class。我们可以用下面这幅图来形象描述这个关系。由于临界区 get() 和 addOne() 是用两个锁保护的，因此这两个临界区没有互斥关系，临界区 addOne() 对 value 的修改对临界区 get() 也没有可见性保证，这就导致并发问题了。
保护没有关联关系的多个资源
例如，银行业务中有针对账户余额（余额是一种资源）的取款操作，也有针对账户密码（密码也是一种资源）的更改操作，我们可以为账户余额和账户密码分配不同的锁来解决并发问题。 相关的示例代码如下，账户类 Account 有两个成员变量，分别是账户余额 balance 和账户密码 password。取款 withdraw() 和查看余额 getBalance() 操作会访问账户余额 balance，我们创建一个 final 对象 balLock 作为锁（类比球赛门票）；而更改密码 updatePassword() 和查看密码 getPassword() 操作会修改账户密码 password，我们创建一个 final 对象 pwLock 作为锁（类比电影票）。不同的资源用不同的锁保护，各自管各自的，很简单。
class Account {
// 锁：保护账户余额
private final Object balLock
= new Object();
// 账户余额
private Integer balance;
// 锁：保护账户密码
private final Object pwLock
= new Object();
// 账户密码
private String password;
// 取款
void withdraw(Integer amt) {
synchronized(balLock) {
if (this.balance > amt){
this.balance -= amt;
}
}
}
// 查看余额
Integer getBalance() {
synchronized(balLock) {
return balance;
}
}
// 更改密码
void updatePassword(String pw){
synchronized(pwLock) {
this.password = pw;
}
}
// 查看密码
String getPassword() {
synchronized(pwLock) {
return password;
}
}
}
当然，我们也可以用一把互斥锁来保护多个资源，例如我们可以用 this 这一把锁来管理账户类里所有的资源：账户余额和用户密码。具体实现很简单，示例程序中所有的方法都增加同步关键字 synchronized 就可以了。
但是用一把锁有个问题，就是性能太差，会导致取款、查看余额、修改密码、查看密码这四个操作都是串行的。而我们用两把锁，取款和修改密码是可以并行的。用不同的锁对受保护资源进行精细化管理，能够提升性能。这种锁还有个名字，叫细粒度锁。
保护有关联关系的多个资源
如果多个资源是有关联关系的，那这个问题就有点复杂了。例如银行业务里面的转账操作，账户 A 减少 100 元，账户 B 增加 100 元。这两个账户就是有关联关系的。那对于像转账这种有关联关系的操作，我们应该怎么去解决呢？先把这个问题代码化。我们声明了个账户类：Account，该类有一个成员变量余额：balance，还有一个用于转账的方法：transfer()，然后怎么保证转账操作 transfer() 没有并发问题呢？
class Account {
private int balance;
// 转账
void transfer(
Account target, int amt){
if (this.balance > amt) {
this.balance -= amt;
target.balance += amt;
}
}
}
相信你的直觉会告诉你这样的解决方案：用户 synchronized 关键字修饰一下 transfer() 方法就可以了，于是你很快就完成了相关的代码，如下所示。
class Account {
private int balance;
// 转账
synchronized void transfer(
Account target, int amt){
if (this.balance > amt) {
this.balance -= amt;
target.balance += amt;
}
}
}
在这段代码中，临界区内有两个资源，分别是转出账户的余额 this.balance 和转入账户的余额 target.balance，并且用的是一把锁 this，符合我们前面提到的，多个资源可以用一把锁来保护，这看上去完全正确呀。真的是这样吗？可惜，这个方案仅仅是看似正确，为什么呢？
问题就出在 this 这把锁上，this 这把锁可以保护自己的余额 this.balance，却保护不了别人的余额 target.balance，就像你不能用自家的锁来保护别人家的资产，也不能用自己的票来保护别人的座位一样。
下面我们具体分析一下，假设有 A、B、C 三个账户，余额都是 200 元，我们用两个线程分别执行两个转账操作：账户 A 转给账户 B 100 元，账户 B 转给账户 C 100 元，最后我们期望的结果应该是账户 A 的余额是 100 元，账户 B 的余额是 200 元， 账户 C 的余额是 300 元。
我们假设线程 1 执行账户 A 转账户 B 的操作，线程 2 执行账户 B 转账户 C 的操作。这两个线程分别在两颗 CPU 上同时执行，那它们是互斥的吗？我们期望是，但实际上并不是。因为线程 1 锁定的是账户 A 的实例（A.this），而线程 2 锁定的是账户 B 的实例（B.this），所以这两个线程可以同时进入临界区 transfer()。同时进入临界区的结果是什么呢？线程 1 和线程 2 都会读到账户 B 的余额为 200，导致最终账户 B 的余额可能是 300（线程 1 后于线程 2 写 B.balance，线程 2 写的 B.balance 值被线程 1 覆盖），可能是 100（线程 1 先于线程 2 写 B.balance，线程 1 写的 B.balance 值被线程 2 覆盖），就是不可能是 200。
使用锁的正确姿势
锁能覆盖所有受保护资源。
在上面的例子中，this 是对象级别的锁，所以 A 对象和 B 对象都有自己的锁，如何让 A 对象和 B 对象共享一把锁呢？
稍微开动脑筋，你会发现其实方案还挺多的，比如可以让所有对象都持有一个唯一性的对象，这个对象在创建 Account 时传入。方案有了，完成代码就简单了。示例代码如下，我们把 Account 默认构造函数变为 private，同时增加一个带 Object lock 参数的构造函数，创建 Account 对象时，传入相同的 lock，这样所有的 Account 对象都会共享这个 lock 了。
class Account {
private Object lock；
private int balance;
private Account();
// 创建 Account 时传入同一个 lock 对象
public Account(Object lock) {
this.lock = lock;
}
// 转账
void transfer(Account target, int amt){
// 此处检查所有对象共享的锁
synchronized(lock) {
if (this.balance > amt) {
this.balance -= amt;
target.balance += amt;
}
}
}
}
这个办法确实能解决问题，但是有点小瑕疵，它要求在创建 Account 对象的时候必须传入同一个对象，如果创建 Account 对象时，传入的 lock 不是同一个对象，那可就惨了，会出现锁自家门来保护他家资产的荒唐事。在真实的项目场景中，创建 Account 对象的代码很可能分散在多个工程中，传入共享的 lock 真的很难。
所以，上面的方案缺乏实践的可行性，我们需要更好的方案。还真有，就是用 Account.class 作为共享的锁。Account.class 是所有 Account 对象共享的，而且这个对象是 Java 虚拟机在加载 Account 类的时候创建的，所以我们不用担心它的唯一性。使用 Account.class 作为共享的锁，我们就无需在创建 Account 对象时传入了，代码更简单。
class Account {
private int balance;
// 转账
void transfer(Account target, int amt){
synchronized(Account.class) {
if (this.balance > amt) {
this.balance -= amt;
target.balance += amt;
}
}
}
}
下面这幅图很直观地展示了我们是如何使用共享的锁 Account.class 来保护不同对象的临界区的。
“原子性”的本质是什么？其实不是不可分割，不可分割只是外在表现，其本质是多个资源间有一致性的要求，操作的中间状态对外不可见。例如，在 32 位的机器上写 long 型变量有中间状态（只写了 64 位中的 32 位），在银行转账的操作中也有中间状态（账户 A 减少了 100，账户 B 还没来得及发生变化）。所以解决原子性问题，是要保证中间状态对外不可见。
