Java 内存模型：共享、可变、线程安全性、线程同步、原子性、可见性、有序性

Java内存模型的一些基本的概念：共享、可变、线程安全性、线程同步、原子性、可见性、有序性。

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• 共享和可变

  要编写线程安全的代码，其核心在于对共享的和可变的状态进行访问。
  “共享”就意味着变量可以被多个线程同时访问。我们知道系统中的资源是有限的，不同的线程对资源都是具有着同等的使用权。有限、公平就意味着竞争，竞争就有可能会引发线程问题。
  “可变”是指变量的值在其生命周期内是可以发生改变的。“可变”对应的是“不可变”。我们知道不可变的对象一定是线程安全的，并且永远也不需要额外的同步（因为一个不可变的对象只要构建正确，其外部可见状态永远都不会发生改变）。所以“可变”意味着存在线程不安全的风险。解决办法：
1、不在线程中共享该状态变量，可以将变量封装到方法中。
2、将状态变量修改为不可变的变量（final）。
3、访问状态变量时使用同步策略。
4、使用原子变量类。

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• 线程安全性

  线程安全是一个比较复杂的概念。其核心概念就是正确性。所谓正确性就是某各类的行为与其规范完全一致，即其近似与“所见即所知（we know it when we see it）”。当多个线程访问某各类时，不管运行时环境采用何种调度方式或者这些线程将如何交替执行，并且在主调代码中不需要任何额外的同步或者协同，这个类都能表现出正确的行为，那么就称这个类是线程安全的。（引自：《Java并发编程实战》）

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• 线程同步

  线程通过其核心就在于一个“同”。所谓“同”就是协同、协助、配合，“同步”就是协同步调昨，也就是按照预定的先后顺序进行运行，即“你先，我等， 你做完，我再做”。
  线程同步，就是当线程发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不会返回，其他线程也不能调用该方法。就一般而言，我们在说同步、异步的时候，特指那些需要其他组件来配合或者需要一定时间来完成的任务。在多线程编程里面，一些较为敏感的数据时不允许被多个线程同时访问的，使用线程同步技术，确保数据在任何时刻最多只有一个线程访问，保证数据的完整性。
  线程同步的机制主要有：临界区、互斥量、事件、信号量四种方式：
1、临界区：通过对多线程的串行化来访问公共资源或一段代码，速度快，适合控制数据访问。在任意时刻只允许一个线程对共享资源进行访问，如果有多个线程试图访问公共资源，那么在有一个线程进入后，其他试图访问公共资源的线程将被挂起，并一直等到进入临界区的线程离开，临界区在被释放后，其他线程才可以抢占。
2、互斥量：采用互斥对象机制。 只有拥有互斥对象的线程才有访问公共资源的权限，因为互斥对象只有一个，所以能保证公共资源不会同时被多个线程访问。互斥不仅能实现同一应用程序的公共资源安全共享，还能实现不同应用程序的公共资源安全共享。
3、信号量：它允许多个线程在同一时刻访问同一资源，但是需要限制在同一时刻访问此资源的最大线程数目。
4、事 件：通过通知操作的方式来保持线程的同步，还可以方便实现对多个线程的优先级比较的操作。

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• 原子性

原子是世界上最小的单位，具有不可分割性。在我们编程的世界里，某个操作如果不可分割我们就称之为该操作具有原子性。例如：i = 0,这个操作是不可分割的，所以该操作具有原子性。如果某个操作可以分割，那么该操作就不具备原子性，例如i++。非原子操作都存在线程安全问题，这个时候我们需要使用同步机制来保证这些操作变成原子操作，来确保线程安全。

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• 可见性

线程可见性是指线程之间的可见性，即一个线程对状态的修改对另一个线程是可见的，也就是一个线程修改的结果，另外一个线程立马就知道了。比如volitile修饰的变量，就具备可见性。

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• 有序性

有序性指的是数据不相关的变量在并发的情况下，实际执行的结果和单线程的执行结果是一样的，不会因为重排序的问题导致结果不可预知。volatile, final, synchronized，显式锁都可以保证有序性。

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• Java内存模型

  Java内存模型（JMM）是一种内存规范，它可以屏蔽各种硬件和操作系统的访问差异，从而保证一段Java程序在不同的平台上运行都能得到一样的结果。如何保证？JMM可提供影响并发编程的原子性操作（synchronized和Lock）、可见性操作（volatile、synchronized和Lock）、有序性操作（volatile、synchronized和Lock以及happens-before原则）。
  Java内存模型规定所有变量都存储在主存（Main Memory）中（虚拟机内存的一部分）。每条线程还有自己的工作内存（Working Memory），线程的工作内存保存了被线程使用到的变量的主内存副本拷贝，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中的变量。不同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存来完成。

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• synchronized

  由于synchronized和Lock能够保证任一时刻只有一个线程执行该代码块，那么自然就不存在原子性问题了，从而保证了原子性。synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。synchronized和Lock保证每个时刻是有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码，自然就保证了有序性。

• Volatile

  Volatile关键字可以　1）保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。2）禁止进行指令重排序（通过添加内存屏障）。Volatile无法保证对变量的操作的原子性（要么都执行，要么都不执行。）。（比如自增操作：包括读取变量的原始值、进行加1操作、写入工作内存。）
  通常来说，使用volatile的场景必须具备以下2个条件：1）对变量的写操作不依赖于当前值；2）该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。（我的理解就是上面的2个条件需要保证操作是原子性操作，才能保证使用volatile关键字的程序在并发时能够正确执行。）（比如：单列模式的双重检查（double check））

class Singleton{
    private volatile static Singleton instance = null;
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        if(instance==null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if(instance==null)
                    instance = new Singleton();}}
        return instance;
        }
    }

• happens-before原则

  先行发生原则：happens-before原则（如果两个操作的执行次序无法从happens-before原则推导出来，那么它们就不能保证它们的有序性，虚拟机可以随意地对它们进行重排序。）
  程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作（虽然进行重排序，但是最终执行的结果是与程序顺序执行的结果一致的，它只会对不存在数据依赖性的指令进行重排序，这个规则是用来保证程序在单线程中执行结果的正确性，但无法保证程序在多线程中执行的正确性。）
  除此之外还包括：锁定规则：一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁额lock操作； volatile变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作；传递规则：如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生于操作C；线程启动规则；线程中断规则；线程终结规则；对象终结规则。