并发编程-1

1.线程的基础概念

1.1 进程与线程

1.1.1什么是进程？

进程是指运行中的程序。 比如我们使用钉钉，浏览器，需要启动这个程序，操作系统会给这个程序分配一定的资源（占用内存资源）。

1.1.2什么线程？

线程是CPU调度的基本单位，每个线程执行的都是某一个进程的代码的某个片段。

举个栗子：房子与人

比如现在有一个100平的房子，这个方式可以看做是一个进程

房子里有人，人就可以看做成一个线程。

人在房子中做一个事情，比如吃饭，学习，睡觉。这个就好像线程在执行某个功能的代码。

所谓进程就是线程的容器，需要线程利用进程中的一些资源，处理一个代码、指令。最终实现进程锁预期的结果。

1.1.3进程和线程的区别：

根本不同：进程是操作系统分配的资源，而线程是CPU调度的基本单位。
资源方面：同一个进程下的线程共享进程中的一些资源。线程同时拥有自身的独立存储空间。进程之间的资源通常是独立的。
数量不同：进程一般指的就是一个进程。而线程是依附于某个进程的，而且一个进程中至少会有一个或多个线程。
开销不同：毕竟进程和线程不是一个级别的内容，线程的创建和终止的时间是比较短的。而且线程之间的切换比进程之间的切换速度要快很多。而且进程之间的通讯很麻烦，一般要借助内核才可以实现，而线程之间通讯，相当方面。

1.2 多线程

1.2.1什么是多线程？

多线程是指：单个进程中同时运行多个线程。

多线程的不低是为了提高CPU的利用率。

可以通过避免一些网络IO或者磁盘IO等需要等待的操作，让CPU去调度其他线程。

这样可以大幅度的提升程序的效率，提高用户的体验。

比如Tomcat可以做并行处理，提升处理的效率，而不是一个一个排队。

不如要处理一个网络等待的操作，开启一个线程去处理需要网络等待的任务，让当前业务线程可以继续往下执行逻辑，效率是可以得到大幅度提升的。

1.2.2多线程的局限

如果线程数量特别多，CPU在切换线程上下文时，会额外造成很大的消耗。
任务的拆分需要依赖业务场景，有一些异构化的任务，很难对任务拆分，还有很多业务并不是多线程处理更好。
线程安全问题：虽然多线程带来了一定的性能提升，但是再做一些操作时，多线程如果操作临界资源，可能会发生一些数据不一致的安全问题，甚至涉及到锁操作时，会造成死锁问题。

1.3串行、并行、并发

1.3.1什么是串行：

串行就是一个一个排队，第一个做完，第二个才能上。

1.3.2什么是并行：

并行就是同时处理。（一起上！！！）

1.3.3什么是并发：

这里的并发并不是三高中的高并发问题，这里是多线程中的并发概念（CPU调度线程的概念）。CPU在极短的时间内，反复切换执行不同的线程，看似好像是并行，但是只是CPU高速的切换。

并行囊括并发。

并行就是多核CPU同时调度多个线程，是真正的多个线程同时执行。

单核CPU无法实现并行效果，单核CPU是并发

1.4 同步异步、阻塞非阻塞

1.4.1同步与异步：

执行某个功能后，被调用者是否会主动反馈信息

1..4.2阻塞和非阻塞：

执行某个功能后，调用者是否需要一直等待结果的反馈。

两个概念看似相似，但是侧重点是完全不一样的。

1.4.2同步阻塞：

比如用锅烧水，水开后，不会主动通知你。烧水开始执行后，需要一直等待水烧开。

1.4.3同步非阻塞:

比如用锅烧水，水开后，不会主动通知你。烧水开始执行后，不需要一直等待水烧开，可以去执行其他功能，但是需要时不时的查看水开了没。

1.4.4异步阻塞：

比如用水壶烧水，水开后，会主动通知你水烧开了。烧水开始执行后，需要一直等待水烧开。

1.4.5异步非阻塞：

比如用水壶烧水，水开后，会主动通知你水烧开了。烧水开始执行后，不需要一直等待水烧开，可以去执行其他功能。

异步非阻塞这个效果是最好的，平时开发时，提升效率最好的方式就是采用异步非阻塞的方式处理一些多线程的任务。

1.2.线程的状态

Java中给线程准备的6种状态

NEW：Thread对象被创建出来了，但是还没有执行start方法。

RUNNABLE：Thread对象调用了start方法，就为RUNNABLE状态（CPU调度/没有调度）

BLOCKED、WAITING、TIME_WAITING：都可以理解为是阻塞、等待状态，因为处在这三种状态下，CPU不会调度当前线程

BLOCKED：synchronized没有拿到同步锁，被阻塞的情况

WAITING：调用wait方法就会处于WAITING状态，需要被手动唤醒

TIME_WAITING：调用sleep方法或者join方法，会被自动唤醒，无需手动唤醒

TERMINATED：run方法执行完毕，线程生命周期到头了

1.2.1 在Java代码中验证一下效果

NEW：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
  
    });
    System.out.println(t1.getState());
}

RUNNABLE：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        while(true){

        }
    });
    t1.start();
    Thread.sleep(500);
    System.out.println(t1.getState());
}

 BLOCKED：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Object obj = new Object();
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        // t1线程拿不到锁资源，导致变为BLOCKED状态
        synchronized (obj){

        }
    });
    // main线程拿到obj的锁资源
    synchronized (obj) {
        t1.start();
        Thread.sleep(500);
        System.out.println(t1.getState());
    }
}

 WAITING：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Object obj = new Object();
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        synchronized (obj){
            try {
                obj.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    });
    t1.start();
    Thread.sleep(500);
    System.out.println(t1.getState());
}

TIMED_WAITING：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    });
    t1.start();
    Thread.sleep(500);
    System.out.println(t1.getState());
}

TERMINATED：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        try {
            Thread.sleep(500);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    });
    t1.start();
    Thread.sleep(1000);
    System.out.println(t1.getState());
}

1.3线程的常用方法 

 1.3.1获取当前线程

Thread的静态方法获取当前线程对象

public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
	// 获取当前线程的方法
    Thread main = Thread.currentThread();
    System.out.println(main);
    // "Thread[" + getName() + "," + getPriority() + "," +  group.getName() + "]";
    // Thread[main,5,main]
}

1.3.2线程的名字

在构建Thread对象完毕后，一定要设置一个有意义的名称，方面后期排查错误

public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    });
    t1.setName("模块-功能-计数器");
    t1.start();
}

1.3.3线程的优先级

其实就是CPU调度线程的优先级、java中给线程设置的优先级别有10个级别，从1~10任取一个整数。如果超出这个范围，会抛出参数异常的错误越小优先级越高

public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            System.out.println("t1:" + i);
        }
    });
    Thread t2 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            System.out.println("t2:" + i);
        }
    });
    t1.setPriority(1);
    t2.setPriority(10);
    t2.start();
    t1.start();
}

 1.3.4 线程的让步

可以通过Thread的静态方法yield，让当前线程从运行状态转变为就绪状态。

public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            if(i == 50){
                Thread.yield();
            }
            System.out.println("t1:" + i);
        }
    });
    Thread t2 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println("t2:" + i);
        }
    });
    t2.start();
    t1.start();
}

1.3.5线程的休眠

Thread的静态方法，让线程从运行状态转变为等待状态

sleep有两个方法重载：

第一个就是native修饰的，让线程转为等待状态的效果
第二个是可以传入毫秒和一个纳秒的方法（如果纳秒值大于等于0.5毫秒，就给休眠的毫秒值+1。如果传入的毫秒值是0，纳秒值不为0，就休眠1毫秒）

sleep会抛出一个InterruptedException

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    System.out.println(System.currentTimeMillis());
    Thread.sleep(1000);
    System.out.println(System.currentTimeMillis());
}

1.3.6线程的强占

Thread的非静态方法join方法

需要在某一个线程下去调用这个方法

如果在main线程中调用了t1.join()，那么main线程会进入到等待状态，需要等待t1线程全部执行完毕，在恢复到就绪状态等待CPU调度。

如果在main线程中调用了t1.join(2000)，那么main线程会进入到等待状态，需要等待t1执行2s后，在恢复到就绪状态等待CPU调度。如果在等待期间，t1已经结束了，那么main线程自动变为就绪状态等待CPU调度。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("t1:" + i);
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    });
    t1.start();
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        System.out.println("main:" + i);
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        if (i == 1){
            try {
                t1.join(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

1.3.7守护线程

默认情况下，线程都是非守护线程,JVM会在程序中没有非守护线程时，结束掉当前JVM主线程默认是非守护线程，如果主线程执行结束，需要查看当前JVM内是否还有非守护线程，如果没有JVM直接停止

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("t1:" + i);
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    });
    t1.setDaemon(true);
    t1.start();
}

1.3.8线程的等待和唤醒

可以让获取synchronized锁资源的线程通过wait方法进去到锁的等待池，并且会释放锁资源

可以让获取synchronized锁资源的线程，通过notify或者notifyAll方法，将等待池中的线程唤醒，添加到锁池中,notify随机的唤醒等待池中的一个线程到锁池,notifyAll将等待池中的全部线程都唤醒，并且添加到锁池，在调用wait方法和notify以及norifyAll方法时，必须在synchronized修饰的代码块或者方法内部才可以，因为要操作基于某个对象的锁的信息维护。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        sync();
    },"t1");

    Thread t2 = new Thread(() -> {
        sync();
    },"t2");
    t1.start();
    t2.start();
    Thread.sleep(12000);
    synchronized (MiTest.class) {
        MiTest.class.notifyAll();
    }
}

public static synchronized void sync()  {
    try {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            if(i == 5) {
                MiTest.class.wait();
            }
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName());
        }
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

1.3.9 线程的结束方式

stop方法（不用）

强制让线程结束，无论你在干嘛，不推荐使用当然当然方式，但是，他确实可以把线程干掉

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        try {
            Thread.sleep(5000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    });
    t1.start();
    Thread.sleep(500);
    t1.stop();
    System.out.println(t1.getState());
}

使用共享变量（很少会用）

这种方式用的也不多，有的线程可能会通过死循环来保证一直运行。

咱们可以通过修改共享变量在破坏死循环，让线程退出循环，结束run方法

static volatile boolean flag = true;

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        while(flag){
            // 处理任务
        }
        System.out.println("任务结束");
    });
    t1.start();
    Thread.sleep(500);
    flag = false;
}

interrupt方式

共享变量方式无法处理blocking状态

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    // 线程默认情况下，    interrupt标记位：false
    System.out.println(Thread.currentThread().isInterrupted());
    // 执行interrupt之后，再次查看打断信息
    Thread.currentThread().interrupt();
    // interrupt标记位：ture
    System.out.println(Thread.currentThread().isInterrupted());
    // 返回当前线程，并归位为false interrupt标记位：ture
    System.out.println(Thread.interrupted());
    // 已经归位了
    System.out.println(Thread.interrupted());

    // =====================================================
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        while(!Thread.currentThread().isInterrupted()){
            // 处理业务
        }
        System.out.println("t1结束");
    });
    t1.start();
    Thread.sleep(500);
    t1.interrupt();
}

通过打断WAITING或者TIMED_WAITING状态的线程，从而抛出异常自行处理，这种停止线程方式是最常用的一种，在框架和JUC中也是最常见的

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        while(true){
            // 获取任务
            // 拿到任务，执行任务
            // 没有任务了，让线程休眠
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
                System.out.println("基于打断形式结束当前线程");
                return;
            }
        }
    });
    t1.start();
    Thread.sleep(500);
    t1.interrupt();
}

1.3.10wait和sleep的区别？

 sleep属于Thread类中的static方法、wait属于Object类的方法
 sleep属于TIMED_WAITING，自动被唤醒、wait属于WAITING，需要手动唤醒。
 sleep方法在持有锁时，执行，不会释放锁资源、wait在执行后，会释放锁资源。
sleep可以在持有锁或者不持有锁时，执行。 wait方法必须在只有锁时才可以执行。

wait方法会将持有锁的线程从owner扔到WaitSet集合中，这个操作是在修改ObjectMonitor对象，如果没有持有synchronized锁的话，是无法操作ObjectMonitor对象的。

2.并发编程的三大特性

2.1原子性

JMM（Java Memory Model）。不同的硬件和不同的操作系统在内存上的操作有一定差异的。Java为了解决相同代码在不同操作系统上出现的各种问题，用JMM屏蔽掉各种硬件和操作系统带来的差异。

让Java的并发编程可以做到跨平台。

JMM规定所有变量都会存储在主内存中，在操作的时候，需要从主内存中复制一份到线程内存（CPU内存），在线程内部做计算。然后再写回主内存中（不一定！）。

原子性的定义：

原子性指一个操作是不可分割的，不可中断的，一个线程在执行时，另一个线程不会影响到他。

并发编程的原子性用代码阐述：

private static int count;

public static void increment(){
    try {
        Thread.sleep(10);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    count++;
}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
           increment();
        }
    });
    Thread t2 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            increment();
        }
    });
    t1.start();
    t2.start();
    t1.join();
    t2.join();
    System.out.println(count);
}

当前程序：多线程操作共享数据时，预期的结果，与最终的结果不符。多个线程操作共享资源时导致++变少；

原子性：多线程操作临界资源，预期的结果与最终结果一致。

通过对这个程序的分析，可以查看出，++的操作，一共分为了三部，首先是线程从主内存拿到数据保存到CPU的寄存器中，然后在寄存器中进行+1操作，最终将结果写回到主内存当中。

2.1.1 保证并发编程的原子性

synchronized：

因为++操作可以从指令中查看到

可以在方法上追加synchronized关键字或者采用同步代码块的形式来保证原子性

synchronized可以让避免多线程同时操作临街资源，同一时间点，只会有一个线程正在操作临界资源

 2.2CAS

compare and swap也就是比较和交换，他是一条CPU的并发原语。

他在替换内存的某个位置的值时，首先查看内存中的值与预期值是否一致，如果一致，执行替换操作。这个操作是一个原子性操作。

Java中基于Unsafe的类提供了对CAS的操作的方法，JVM会帮助我们将方法实现CAS汇编指令。

但是要清楚CAS只是比较和交换，在获取原值的这个操作上，需要你自己实现。

java已经实现好的计数器

Doug Lea在CAS的基础上帮助我们实现了一些原子类，其中就包括现在看到的AtomicInteger，还有其他很多原子类……

private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            count.incrementAndGet();
        }
    });
    Thread t2 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            count.incrementAndGet();
        }
    });
    t1.start();
    t2.start();
    t1.join();
    t2.join();
    System.out.println(count);
}

 2.2.1CAS的缺点：

CAS只能保证对一个变量的操作是原子性的，无法实现对多行代码实现原子性。

2.2.2CAS的问题：

ABA问题：

当线程1首先从主内存中拿到了str=A 的值与自己的A相对比一致，于是将主内存中的A修改为B，但是线程2没有拿到（线程2的需求也是吧A改为B），这时线程3进来（线程3的需求时将B修改为A），由于线程1已经将A修改为B，线程3的值为B，和主内存中的值对比一致，于是线程3将str又改为A，线程2这时并不会知道又线程3已经修改过，于是又重复了线程一的操作，这时是不对的

线程1,2,3的操作并不是原子性的

问题如下，可以引入版本号的方式，来解决ABA的问题。Java中提供了一个类在CAS时，针对各个版本追加版本号的操作。 AtomicStampeReference

解决ABA问题：

AtomicStampedReference在CAS时，不但会判断原值，还会比较版本信息。

public static void main(String[] args) {
    AtomicStampedReference reference = new AtomicStampedReference<>("AAA",1);

    String oldValue = reference.getReference();
    int oldVersion = reference.getStamp();

    boolean b = reference.compareAndSet(oldValue, "B", oldVersion, oldVersion + 1);
    System.out.println("修改1版本的：" + b);

    boolean c = reference.compareAndSet("B", "C", 1, 1 + 1);
    System.out.println("修改2版本的：" + c);
}

自旋时间过长问题：

 可以指定CAS一共循环多少次，如果超过这个次数，直接失败/或者挂起线程。（自旋锁、自适应自旋锁）
 可以在CAS一次失败后，将这个操作暂存起来，后面需要获取结果时，将暂存的操作全部执行，再返回最后的结果

java中实现原子性的工具类

 Lock锁

Lock锁是在JDK1.5由Doug Lea研发的，他的性能相比synchronized在JDK1.5的时期，性能好了很多多，但是在JDK1.6对synchronized优化之后，性能相差不大，但是如果涉及并发比较多时，推荐ReentrantLock锁，性能会更好。

实现方式

private static int count;

private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

public static void increment()  {
    lock.lock();
    try {
        count++;
        try {
            Thread.sleep(10);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    } finally {
        lock.unlock();
    }


}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            increment();
        }
    });
    Thread t2 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            increment();
        }
    });
    t1.start();
    t2.start();
    t1.join();
    t2.join();
    System.out.println(count);
}

 ReentrantLock可以直接对比synchronized，在功能上来说，都是锁。

但是ReentrantLock的功能性相比synchronized更丰富。

 ThreadLocal

Java中的四种引用类型

Java中的使用引用类型分别是**强，软，弱，虚。

User user = new User（）；

在 Java 中最常见的就是强引用，把一个对象赋给一个引用变量，这个引用变量就是一个强引用。当一个对象被强引用变量引用时，它始终处于可达状态，它是不可能被垃圾回收机制回收的，即使该对象以后永远都不会被用到 JVM 也不会回收。因此强引用是造成 Java 内存泄漏的主要原因之一。

其次是软引用，对于只有软引用的对象来说，当系统内存足够时它不会被回收，当系统内存空间不足时它会被回收。软引用通常用在对内存敏感的程序中，作为缓存使用。

然后是弱引用，它比软引用的生存期更短，对于只有弱引用的对象来说，只要垃圾回收机制一运行，不管 JVM 的内存空间是否足够，总会回收该对象占用的内存。可以解决内存泄漏问题，ThreadLocal就是基于弱引用解决内存泄漏的问题。

最后是虚引用，它不能单独使用，必须和引用队列联合使用。虚引用的主要作用是跟踪对象被垃圾回收的状态。不过在开发中，我们用的更多的还是强引用。

ThreadLocal保证原子性的方式，是不让多线程去操作临界资源，让每个线程去操作属于自己的数据代码实现

static ThreadLocal tl1 = new ThreadLocal();
static ThreadLocal tl2 = new ThreadLocal();

public static void main(String[] args) {
    tl1.set("123");
    tl2.set("456");
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        System.out.println("t1:" + tl1.get());
        System.out.println("t1:" + tl2.get());
    });
    t1.start();

    System.out.println("main:" + tl1.get());
    System.out.println("main:" + tl2.get());
}

ThreadLocal实现原理：

每个Thread中都存储着一个成员变量，ThreadLocalMap
ThreadLocal本身不存储数据，像是一个工具类，基于ThreadLocal去操作ThreadLocalMap
ThreadLocalMap本身就是基于Entry[]实现的，因为一个线程可以绑定多个ThreadLocal，这样一来，可能需要存储多个数据，所以采用Entry[]的形式实现。
每一个现有都自己独立的ThreadLocalMap，再基于ThreadLocal对象本身作为key，对value进行存取
ThreadLocalMap的key是一个弱引用，弱引用的特点是，即便有弱引用，在GC时，也必须被回收。这里是为了在ThreadLocal对象失去引用后，如果key的引用是强引用，会导致ThreadLocal对象无法被回收

ThreadLocal内存泄漏问题：

如果ThreadLocal引用丢失，key因为弱引用会被GC回收掉，如果同时线程还没有被回收，就会导致内存泄漏，内存中的value无法被回收，同时也无法被获取到。
 只需要在使用完毕ThreadLocal对象之后，及时的调用remove方法，移除Entry即可

2.2.3 什么是可见性

可见性问题是基于CPU位置出现的，CPU处理速度非常快，相对CPU来说，去主内存获取数据这个事情太慢了，CPU就提供了L1，L2，L3的三级缓存，每次去主内存拿完数据后，就会存储到CPU的三级缓存，每次去三级缓存拿数据，效率肯定会提升。

这就带来了问题，现在CPU都是多核，每个线程的工作内存（CPU三级缓存）都是独立的，会告知每个线程中做修改时，只改自己的工作内存，没有及时的同步到主内存，导致数据不一致问题。

 可见性问题的代码逻辑

private static boolean flag = true;

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        while (flag) {
            // ....
        }
        System.out.println("t1线程结束");
    });

    t1.start();
    Thread.sleep(10);
    flag = false;
    System.out.println("主线程将flag改为false");
}

解决可见性的方式

volatile

volatile是一个关键字，用来修饰成员变量。

如果属性被volatile修饰，相当于会告诉CPU，对当前属性的操作，不允许使用CPU的缓存，必须去和主内存操作

volatile的内存语义：

volatile属性被写：

当写一个volatile变量，JMM会将当前线程对应的CPU缓存及时的刷新到主内存中
volatile属性被读：

当读一个volatile变量，JMM会将对应的CPU缓存中的内存设置为无效，必须去主内存中重新读取共享变量

其实加了volatile就是告知CPU，对当前属性的读写操作，不允许使用CPU缓存，加了volatile修饰的属性，会在转为汇编之后后，追加一个lock的前缀，CPU执行这个指令时，如果带有lock前缀会做两个事情：

将当前处理器缓存行的数据写回到主内存
这个写回的数据，在其他的CPU内核的缓存中，直接无效。

总结：volatile就是让CPU每次操作这个数据时，必须立即同步到主内存，以及从主内存读取数据。

private volatile static boolean flag = true;

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        while (flag) {
            // ....
        }
        System.out.println("t1线程结束");
    });

    t1.start();
    Thread.sleep(10);
    flag = false;
    System.out.println("主线程将flag改为false");
}

synchronized

synchronized也是可以解决可见性问题的，synchronized的内存语义。

如果涉及到了synchronized的同步代码块或者是同步方法，获取锁资源之后，将内部涉及到的变量从CPU缓存中移除，必须去主内存中重新拿数据，而且在释放锁之后，会立即将CPU缓存中的数据同步到主内存。

private static boolean flag = true;

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        while (flag) {
            //一定是获取锁资源之后，将内部涉及到的变量从CPU缓存中移除
            synchronized (MiTest.class){
                //...
            }
            System.out.println(111);
        }
        System.out.println("t1线程结束");

    });

    t1.start();
    Thread.sleep(10);
    flag = false;
    System.out.println("主线程将flag改为false");
}

Lock

Lock锁保证可见性的方式和synchronized完全不同，synchronized基于他的内存语义，在获取锁和释放锁时，对CPU缓存做一个同步到主内存的操作。

Lock锁是基于volatile实现的。Lock锁内部再进行加锁和释放锁时，会对一个由volatile修饰的state属性进行加减操作。

如果对volatile修饰的属性进行写操作，CPU会执行带有lock前缀的指令，CPU会将修改的数据，从CPU缓存立即同步到主内存，同时也会将其他的属性也立即同步到主内存中。还会将其他CPU缓存行中的这个数据设置为无效，必须重新从主内存中拉取。

private static boolean flag = true;
private static Lock lock = new ReentrantLock();

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        while (flag) {
            lock.lock();
            try{
                //...
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        }
        System.out.println("t1线程结束");

    });

    t1.start();
    Thread.sleep(10);
    flag = false;
    System.out.println("主线程将flag改为false");
}

 final

final修饰的属性，在运行期间是不允许修改的，这样一来，就间接的保证了可见性，所有多线程读取final属性，值肯定是一样。

final并不是说每次取数据从主内存读取，他没有这个必要，而且final和volatile是不允许同时修饰一个属性的

final修饰的内容已经不允许再次被写了，而volatile是保证每次读写数据去主内存读取，并且volatile会影响一定的性能，就不需要同时修饰。

2.2.4有序性

什么是有序性

在Java中，.java文件中的内容会被编译，在执行前需要再次转为CPU可以识别的指令，CPU在执行这些指令时，为了提升执行效率，在不影响最终结果的前提下（满足一些要求），会对指令进行重排。

指令乱序执行的原因，是为了尽可能的发挥CPU的性能。

Java中的程序是乱序执行的。

Java程序验证乱序执行效果：

static int a,b,x,y;

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    for (int i = 0; i < Integer.MAX_VALUE; i++) {
        a = 0;
        b = 0;
        x = 0;
        y = 0;
        
        //按照执行顺序XY不可能出现同时为0的状态
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            a = 1;
            x = b;
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            b = 1;
            y = a;
        });

        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();

        if(x == 0 && y == 0){
            System.out.println("第" + i + "次，x = "+ x + ",y = " + y);
        }
    }
}

单例模式由于指令重排序可能会出现问题：

线程可能会拿到没有初始化的对象，导致在使用时，可能由于内部属性为默认值，导致出现一些不必要的问题

解决乱序执行的问题

private static volatile MiTest test;

private MiTest(){}

public static MiTest getInstance(){
    // B
    if(test  == null){
        synchronized (MiTest.class){

            if(test == null){
                // A   ,  开辟空间，test指向地址，初始化
                test = new MiTest();
            }
        }
    }
    return test;
}

 as-if-serial

as-if-serial语义：

不论指定如何重排序，需要保证单线程的程序执行结果是不变的。

而且如果存在依赖的关系，那么也不可以做指令重排。

// 这种情况肯定不能做指令重排序
int i = 0;
i++;

// 这种情况肯定不能做指令重排序
int j = 200;
j * 100;
j + 100;
// 这里即便出现了指令重排，也不可以影响最终的结果，20100

happens-beforejvm级别

具体规则：

1. 单线程happen-before原则：在同一个线程中，书写在前面的操作happen-before后面的操作。
　　2. 锁的happen-before原则：同一个锁的unlock操作happen-before此锁的lock操作。
　　3. volatile的happen-before原则： 对一个volatile变量的写操作happen-before对此变量的任意操作。
　　4. happen-before的传递性原则： 如果A操作 happen-before B操作，B操作happen-before C操作，那么A操作happen-before C操作。
　　5. 线程启动的happen-before原则：同一个线程的start方法happen-before此线程的其它方法。
　　6. 线程中断的happen-before原则：对线程interrupt方法的调用happen-before被中断线程的检测到中断发送的代码。
　　7. 线程终结的happen-before原则：线程中的所有操作都happen-before线程的终止检测。
　　8. 对象创建的happen-before原则：一个对象的初始化完成先于他的finalize方法调用。

JMM只有在不出现上述8中情况时，才不会触发指令重排效果。 

不需要过分的关注happens-before原则，只需要可以写出线程安全的代码就可以了。

volatile

如果需要让程序对某一个属性的操作不出现指令重排，除了满足happens-before原则之外，还可以基于volatile修饰属性，从而对这个属性的操作，就不会出现指令重排的问题了。

volatile如何实现的禁止指令重排？

内存屏障概念。将内存屏障看成一条指令。

会在两个操作之间，添加上一道指令，这个指令就可以避免上下执行的其他指令进行重排序。