面试题-java锁，高并发，多线程-1

并发编程的三要素是什么（线程的安全性问题体现在哪）？

原子性：一个或多个操作要么全部执行成功，要么全部执行失败。
可见性：一个线程对共享变量的修改，另一个线程能够立刻看到（synchronized,volatile）。
有序性：程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。（有序性不代表禁止指令重排）。

什么是JAVA内存模型？
首先，JAVA内存模型是指JMM，而不是指内存结构，内存结构是在物理上的区域划分，而JMM则是抽象概念上的划分。
JMM（内存模型）主要包括两块：主内存+工作内存。
主内存：多个线程间通信的共享内存称之为主内存，即，数据是多个线程工共享的，在物理内存结构上通常对应“堆”中的线程共享数据。
工作内存：多个线程各自对应自己的本地内存，即，数据只属于该线程自己的，在物理内存结构上通常对应“本地方法栈”中的线程私有数据。
Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存(Main Memory)中，每条线程还有自己的工作内存(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，线程间变量值得传递均需要通过主内存来实现。

volatile 关键字的作用
Java 提供了 volatile 关键字来保证可见性和禁止指令重排(一定有序)。 volatile 提供 happens-before 的保证，确保一个线程的修改能对其他线程是可见的。当一个共享变量被 volatile 修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。

Volatile是怎么保证可见性的？
对volatile修饰的变量，执行写操作的话，JVM会发送一条lock前缀指令给CPU，CPU在计算完之后会立即将这个值写回主内存，同时因为有MESI缓存一致性协议，所以各个CPU都会对总线进行嗅探，自己本地缓存中的数据是否被别人修改。
如果发现别人修改了某个缓存的数据，那么CPU就会将自己本地缓存的数据过期，然后这个CPU上执行的线程在读取那个变量的时候，就会从主内存重新加载最新的数据。
小结：lock前缀指令 + MESI缓存一致性协议。

Volatile能保证强一致性吗？
不能。可见性可以认为是最弱的“一致性”（弱一致），只保证用户见到的数据是一致的，但不保证任意时刻，存储的数据都是一致的（强一致）。它只能保证线程过来读取数据时，能获取到当前的最新数据。

什么是MESI缓存一致性协议？
M（修改, Modified）: 本地处理器已经修改缓存行, 即是脏行, 它的内容与内存中的内容不一样. 并且此cache只有本地一个拷贝（专有）。
E（专有, Exclusive）: 缓存行内容和内存中的一样, 而且其它处理器都没有这行数据。
S（共享, Shared）: 缓存行内容和内存中的一样, 有可能其它处理器也存在此缓存行的拷贝。
I（无效, Invalid）: 缓存行失效, 不能使用。
过程：
Core0修改v后，发送一个信号，将Core1缓存的v标记为失效，并将修改值写回内存。
Core0可能会多次修改v，每次修改都只发送一个信号（发信号时会锁住缓存间的总线），Core1缓存的v保持着失效标记。
Core1使用v前，发现缓存中的v已经失效了，得知v已经被修改了，于是重新从其他缓存或内存中加载v。

Volatile是怎么做到禁止指令重排的？
对于volatile修改变量的读写操作，都会加入内存屏障。
每个volatile写操作前面，加StoreStore屏障，禁止上面的普通写和他重排；每个volatile写操作后面，加StoreLoad屏障，禁止跟下面的volatile读/写重排。
每个volatile读操作后面，加LoadLoad屏障，禁止下面的普通读和voaltile读重排；每个volatile读操作后面，加LoadStore屏障，禁止下面的普通写和volatile读重排。