1.概述
衡量一个服务性能的高低好坏，每秒事务处理数（Transactions Per Second，TPS）是最重要的指标之一，它代表着一秒内服务端平均能响应的请求总数，而TPS值与程序的并发能力又非常密切相关，并发效率越高，TPS值越大。
2.硬件的效率与一致性
由于计算机的存储设备与处理器的运算速度不匹配，现代计算机系统都加入一层读写速度尽可能接近处理器运算速度的高速缓存Cache来作为内存与处理器之间的缓冲：将运算需要使用到的数据复制到缓存中，让运算能快速进行，当运算结束后再从缓存同步回内存之中，这样处理器就无需等待缓慢的内存读写。
基于高速缓存的存储交互很好地解决了处理器与内存运算速度不匹配的矛盾，但也引进了新的问题，缓存一致性（Cache Coherence）问题：在多处理器系统中，每个处理器都有自己的高速缓存，而它们又共享同一主内存（Main Memory）。当多个处理器的运算任务都涉及同一块主内存区域时，将可能导致各自的缓存数据不一致。为了解决缓存一致性问题，需要各个处理器访问缓存是都遵循一些协议，在读写时要根据协议来进行操作，这类协议有MSI、MESI、MOSI、Synapse、FireFly及Dragon Protocol等。
除了增加高速缓存之外，为了使得处理器内部的运算单元能尽量被充分利用，处理器可能会对输入代码进行乱序执行（Out-Of-Order Execution）优化，处理器会在计算之后将乱序执行的结果重组，保证该结果与顺序执行的结果是一致的，但并不保证程序中各个语句计算的先后顺序与输入代码中的顺序一致，因此，如果存在一个计算任务依赖另一个计算任务的中间结果，那么其顺序性并不能靠代码的先后顺序来保证。与处理器的乱序执行优化类似，Java虚拟机的即时编译器中也有类似的指令重排序（Instruction Reorder）优化。
3.Java内存模型
Java虚拟机规范定义了一种Java内存模型（Java Memory Model，JMM）来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各个平台下都能达到一致的内存访问效果。
3.1.主内存与工作内存
Java内存模型的主要目标是定义程序中各个变量的访问规则，即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样的底层细节。此处的变量指的是实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，但不包括局部变量与方法参数，因为局部变量与方法参数是线程私有的，不会被共享，自然就不会存在竞争问题。
Java内存模型规定：所有的变量都存储在主内存（Main Memory）中，每条线程有自己的工作内存（Working Memory），线程的工作内存中保存了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，线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成。
3.2.内存间交互操作
关于主内存与工作内存之间具体的交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步回主内存之类的实现细节，Java内存模型中定义了以下8种操作来完成，虚拟机实现时必须保证下面提及的每一种操作都是原子的、不可再分的（对于double和long类型的变量来说，load、store、read和write操作在某些平台上允许有例外）。
- lock（锁定）：作用于主内存的变量，它把一个变量标志为一条线程独占的状态。
- unlock（解锁）：作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定。
- read（读取）：作用于主内存的变量，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用。
- load（载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入到工作内存的变量副本中。
- use（使用）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
- assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。
- store（存储）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write操作使用。
- write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中。
如果要把一个变量从主内存复制到工作内存，那就要顺序地执行read和load操作，如果要把变量从工作内存同步回主内存，就要顺序地执行store和write操作。注意，Java内存模型只要求上述两个操作必须按顺序执行，而没有保证是连续执行。所以，在read和load操作之间、store和write操作之间是可以插入其他指令的，如对主内存中的变量a、b进行访问时，一种可能出现顺序是read a、read b、load b、load a。除此之外，Java内存模型还规定了在执行上述8中操作时必须满足如下规则：
- 不允许read和load、store和write操作之一单独出现，即不允许一个变量从主内存读取了但工作内存不接受，或者从工作内存发起回写了但主内存不接受的情况出现。
- 不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存。
- 不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从线程的工作内存同步回主内存中。
- 一个新的变量只能在主内存中“诞生”，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）的变量，换句话说，就是对一个变量实施use、store操作之前，必须先执行过了assign和load操作。
- 一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一条线程重复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。
- 如果对一个变量执行lock操作，那将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，需要重新执行load或assign操作初始化变量的值、
- 如果一个变量事先没有被lock操作锁定，那就不允许对它执行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定住的变量。
- 对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行store、write操作）
3.3.对于volatile型变量的特殊规则
关键字volatile可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制，但是它并不容易完全被正确、完整地理解，以至于许多程序员都习惯不去使用它，遇到需要处理多线程数据竞争问题的时候一律使用synchronized来进行同步。
Java内存模型对volatile专门定义了一些特殊的访问规则，在了解这些访问规则之前，我们先来了解volatile关键字的作用有哪些。当一个变量定义为volatile之后，它将具备两种特性：
- 可见性
指当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其他线程来说都是可以立即得知的。而普通变量不能做到这一点，普通变量的值在线程间传递均需要通过主内存来完成。由于volatile变量只能保证可见性，在不符合以下两条规则的运算场景中，我们仍要通过加锁（synchronized或java.util.concurrent中的原子类）来保证原子性。
1）运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值；
2）变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束。 - 禁止指令重排序优化
普通的变量仅仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果，而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。因为在一个线程的方法执行过程中无法感知到这点，这也就是Java内存模型中描述的所谓的“线程内表现为串行的语义”（Within Thread As-If-Serial Semantics）。
那为何说volatile禁止指令重排序呢？从硬件架构上讲，指令重排序是指CPU采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相应电路单元处理。但并不是说指令任意重排，CPU需要能正确处理指令依赖情况以保障程序能得到正确的执行结果。用volatile修饰的变量，赋值后多执行一个“lock addl $0x0,(%esp)”操作，这个操作相当于内存屏障（Memory Barrier），指令重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置，只有一个CPU访问内存时，并不需要内存屏障；但如果有两个或更多CPU访问同一块内存，且其中有一个在观测另一个，就需要内存屏障来保证一致性。
解决了volatile的语义问题，再来看看在众多保障并发安全的工具中选用volatile的意义，它能让我们的代码比使用其他的同步工具更快吗？在某些情况下，volatile的同步机制的性能确实要优于锁，但是由于虚拟机对锁实行的许多消除和优化，使得我们很难量化地认为volatile就会比synchronized快多少。但即便如此，大多数场景下volatile的总开销仍然要比锁低，我们在volatile与锁之中选择的唯一依据仅仅是volatile的语义能否满足使用场景的需求。最后，我们来看一下Java内存模型中对volatile变量定义的特殊规则。假定T表示一个线程，V和W分别表示两个volatile型变量，那么在进行read、load、use、assign、store和write操作时需要满足如下规则：
- 只有当线程T对变量V执行的前一个动作是load的时候，线程T才能对变量V执行use动作；并且，只有当线程T对变量V执行的后一个动作是use的时候，线程T才能对变量V执行load动作。线程T对变量V的use动作可以认为是和线程T对变量V的load、read动作相关联，必须连续一起出现（这条规则要求在工作内存中，每次使用V前都必须先从主内存刷新最新的值，用于保证能看见其他线程对变量V所做的修改后的值）。
- 只有当线程T对变量V执行的前一个动作是assign的时候，线程T才能对变量V执行store动作；并且，只有当线程T对变量V执行的后一个动作是store的时候，线程T才能对变量V执行assign动作。线程T对变量V的assign动作可以认为是和线程T对变量V的store、write动作相关联，必须连续一起出现（这条规则要求在工作内存中每次修改V后都必须立刻同步回主内存中，用于保证其他线程可以看到自己对变量V所做的修改）。
- 假定动作A是线程T对变量V实施use或assign动作，假定动作F是和动作A相关联的load或store动作，假定动作P和动作F是相应的对变量V的read或write动作；类似的，假定动作B是线程T对变量W实施的use或assign动作，假定动作G是和动作B相关联的load或store动作，假定动作Q是和动作G相应的对变量W的read或write动作。如果A先于B，那么P先于Q（这条规则要求volatile修饰的变量不会被指令重排序优化，保证代码的执行顺序与程序的顺序相同）。
3.4.对于long和double型变量的特殊规则
Java内存模型要求lock、unlock、read、load、assign、use、store、write这8个操作都具有原子性，但是对于64位的数据类型（long和double），在模型中特别定义了一条相对宽松的规定：允许虚拟机将没有被volatile修饰的64位数据的读写操作划分为两次32位的操作来进行，即允许虚拟机实现选择可以不保证64位数据类型的load、store、read和write这4个操作的原子性，这点就是所谓的long和double的非原子性协定。
如果有多个线程共享一个并未声明为volatile的long或double类型的变量，并且同时对它们进行读取和修改操作，那么某些线程可能会读取到一个既非原值，也不是其他线程修改值而是代表“半个变量”的数值。
3.5.原子性、可见性和有序性
Java内存模型是围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这3个特征来建立的，我们来逐个看一下哪些操作实现了这3个特性。
- 原子性（Atomicity）
有Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、load、assign、use、store和write，我们大致可以认为基本数据类型的访问读写是具备原子性的（除long和double的非原子性协定）。
如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证，Java内存模型还提供了lock和unlock操作来满足需求，尽管虚拟机未把lock和unlock操作直接开放给用户使用，但是却提供了更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐式地使用这两个操作，这两个字节码指令反映到Java代码中就是同步块synchronized关键字，因此在synchronized块之间的操作也具备原子性。 - 可见性（Visibility）
可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即得知这个修改。Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存作为传递媒介的方式来实现可见性的，无论是普通变量还是volatile变量都是如此。普通变量与volatile变量的区别是，volatile的特殊规则保证了新值能立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新。因此，可以说volatile保证了多线程操作时变量的可见性，而普通变量则不能保证这一点。
除了volatile之外，Java还有两个关键字能实现可见性，即synchronized和final。同步块synchronized的可见性是由“对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中”这条规则获得的，而final关键字的可见性是指：被final修饰的字段在构造器中一旦初始化完成，并且构造器没有把“this”的引用传递出去，那在其他线程中就能看见final字段的值。 - 有序性（Ordering）
Java程序中天然的有序性可以总结为一句话：如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的，即“线程内表现为串行的语义（Within Thread As-If-Serial Semantics）”；如果在一个线程中观察另一个线程，所有的操作都是无序的，即“指令重排序现象和工作内存与主内存同步延迟现象”。
Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性，volatile关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义，而synchronized则是由“一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作”这条规则获得的，这条规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。
3.6.先行发生原则（happens-before）
如果Java内存模型中所有的有序性都仅仅靠volatile和synchronized来完成，那么有一些操作将会变得很繁琐，但是我们在编写Java并发代码的时候并没有感觉到这一点，这是因为Java语言中有一个“先行发生（happens-before）”的原则。这个原则非常重要，它是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据，依靠这个原则，我们可以通过几条规则一揽子地解决并发环境下两个操作之间是否可能存在冲突的所有问题。
现在就来看看“先行发生（happens-before）”原则指的是什么。先行发生是Java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系，如果说操作A先行发生于操作B，其实就是说在发生操作B之前，操作A产生的影响能被操作B观察到，“影响”包括修改了内存中共享变量的值、发送了消息、调用了方法等。这句话不难理解，但它意味着什么呢？我们举个例子来看看。
//以下操作在线程A执行
i = 1;
//以下操作在线程B执行
j = i;
//以下操作在线程C执行
i = 2;
假设线程A中的操作“i = 1”先行发生与线程B的操作“j = i”，那么可以确定在线程B的操作执行后，变量 j 的值一定等于1，得出这个结论的依据有两个：一是根据先行发生原则，“i = 1”的结果可以被观察到，二是线程C还没有“登场”，线程A操作结束之后没有其他线程会修改变量i的值。现在再来考虑线程C，我们依然保持线程A和线程B之间的先行发生关系，而线程C出现在线程A和线程B的操作之间，但是线程C与线程B没有先行发生关系，那 j 的值会是多少呢？答案是不确定的！
下面是Java内存模型下一些“天然的”先行发生关系，这些先行发生关系无需任何同步器协助就已经存在，可以在编码中直接使用。如果两个操作之间的关系不在此列，并且无法从下列规则推导出来的话，他们就没有顺序性保障，虚拟机可以对它们随意地进行重排序。
- 程序次序规则（Program Order Rule）
在一个线程内，按照程序代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。准确地说，应该是控制流顺序而不是程序代码顺序，因为要考虑分支、循环等结构。 - 管程锁定规则（Monitor Lock Rule）
一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。 - volatile变量规则（Volatile Variable Rule）
对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作。 - 线程启动规则（Thread Start Rule）
Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作。 - 线程终止规则（Thread Termination Rule）
线程中所有操作都先行发生于对此线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值等手段检测到线程已经终止执行。 - 线程中断规则（Thread Interruption Rule）
对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生，可以通过Thread.interrupted()方法检测到是否有中断发生。 - 对象终结规则（Object Finalizer Rule）
一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行发生于它的finalize()方法的开始。 - 传递性（Transitivity）
如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，那就可以得出操作A先行发生于操作C的结论。
注意：衡量并发安全问题的时候不要受到时间顺序的干扰，一切必须以先行发生原则为准！
4.Java与线程
4.1.线程的实现
线程是比进程更轻量级的调度执行单位，线程的引入，可以把一个进程的资源分配和执行调度分开，各个线程既可以共享进程资源（内存地址、文件I/O等），又可以独立调度（线程是CPU调度的基本单位）。
主流的操作系统都提供了线程的实现，Java语言则提供了在不同硬件和操作系统平台下对线程操作的统一处理，每个已经执行start()方法且还未结束的Thread类的实例就代表了一个线程。实现线程主要有3种方式：使用内核线程实现、使用用户线程实现和使用用户线程加轻量级进程混合实现。
4.1.1.使用内核线程实现
内核线程（Kernel-Level Thread，KLT）就是直接由操作系统内核支持的线程，这种线程由内核来完成线程切换，内核通过操纵调度器（Scheduler）对线程进行调度，并负责将线程的任务映射到各个处理器上。每个内核线程可以视为内核的一个分身，这样操作系统就有能力同时处理多件事情，支持多线程的内核就叫做多线程内核（Multi-Threads Kernel）。
程序一般不会直接去使用内核线程，而是去使用内核线程的一种高级接口-轻量级进程（Light Weight Process，LWP），轻量级进程就是我们通常意义上所说的线程，由于每个轻量级进程都由一个内核线程支持，因此只有先支持内核线程，才能有轻量级进程。这种轻量级进程与内核线程之间的1:1的关系成为一对一的线程模型。
由于内核线程的支持，每个轻量级进程都成为一个独立的调度单元，即使有一个轻量级进程在系统调用中阻塞了，也不会影响整个进程继续工作，但是轻量级进程具有它的局限性：首先，由于是基于内核线程实现的，所以各种线程操作，如创建、析构及同步，都需要进行系统调用，而系统调用的代价相对较高，需要在用户态（User Mode）和内核态（Kernel Mode）中来回切换。其次，每个轻量级进程都需要有一个内核线程的支持，因此轻量级进程要消耗一定的内核资源，因此一个系统支持轻量级进程的数量是有限的。
4.1.2.使用用户线程实现
从广义上来讲，一个线程只要不是内核线程，就可以认为是用户线程（User Thread，UT），因此，从这个定义上来讲，轻量级进程也属于用户线程，但轻量级进程的实现始终是建立在内核之上的，许多操作都要进行系统调用，效率会受到限制。
而狭义上的用户线程指的是完全建立在用户空间的线程库上，系统内核不能感知到线程存在的实现。用户线程的建立、同步、销毁和调度完全在用户态中完成，不需要内核的帮助。如果程序实现得当，这种线程不需要切换到内核态，因此操作可以是非常快速且低消耗的，也可以支持规模更大的线程数量，部分高性能数据库中的多线程就是由用户线程实现的。这种进程与用户线程之间1：N的关系称为一对多的线程模型。
使用用户线程的优势在于不需要系统内核的支持，劣势也在于没有系统内核的支持，而且所有的线程操作都需要用户程序自己处理，复杂度很高，致使Java、Ruby等语言最终都放弃了用户线程。
4.1.3.使用用户线程加轻量级进程混合实现
用户线程加轻量级进程混合实现下，既存在用户线程，也存在轻量级进程。用户线程还是完全建立在用户空间中，因此用户线程的创建、切换、析构等操作依然廉价，并且可以支持大规模的用户线程并发。而操作系统提供支持的轻量级进程则作为用户线程和内核线程之间的桥梁，这样可以使用内核提供的线程调度功能及处理器映射，并且用户线程的系统调用要通过轻量级线程来完成，大大降低了整个进程被完全阻塞的风险。
4.1.4.Java线程的实现
对于Sun JDK来说，它的Windows版与Linux版都是使用一对一的线程模型实现的，一条Java线程就映射到一条轻量级进程中。
而在Solaris平台中，由于操作系统的线程特性可以同时支持一对一和多对多的线程模型，因此在Solaris版的JDK中也对应提供了两个平台专有的虚拟机参数：
-XX:+UseLWPSynchronization和-XX:+UseBoundThreads来明确指定虚拟机使用哪种线程模型。
4.2.Java线程调度
线程调度是指系统为线程分配处理器使用权的过程，主要的调度方式有两种，分别是协同式线程调度和抢占式线程调度。
4.3.线程状态转换
Java语言定义了5种线程状态，在任意一个时间点，一个线程只能有且只有其中的一种状态。
- 新建（NEW）
创建后尚未启动的线程处于这种状态 - 运行（Runable）
Runable包括操作系统线程状态中的Running和Ready，也就是处于此状态的线程可能正在执行，也有可能正在等待着CPU为它分配执行时间。 - 无限期等待（Waiting）
处于这种状态的线程不会被分配CPU执行时间，它们要等待被其它线程显示地唤醒。以下方法会让线程陷入无限期等待状态：
a.没有设置Timeout参数的Object.wait()方法；
b.没有设置Timeout参数的Thread.join()方法；
c.LockSupport.park()方法。 - 限期等待（Timed Waiting）
处于这种状态的线程也不会被分配CPU执行时间，不过无需等待被其他线程显示地唤醒，在一定时间之后它们会由系统自动唤醒。以下方法会让线程进入限期等待状态：
a.Thread.sleep()方法；
b.设置了Timeout参数的Object.wait()方法；
c.设置了Timeout参数的Thread.join()方法；
d.LockSupport.parkNanos()方法；
e.LockSupport.parkUntil()方法。 - 阻塞（Blocked）
线程被阻塞了，“阻塞状态”与“等待状态”的区别是：阻塞状态在等待着获取到一个排它锁，这个事件将在另外一个线程放弃这个锁的时候发生；而等待状态则是在等待一段时间或者唤醒动作的发生。在程序等待进入同步区域的时候，线程将进入阻塞状态。 -
结束（Terminated）
已终止线程的线程状态，线程已经执行结束。
线程状态转换关系.png