前言

Java併發程式設計可以說是中高階研發工程師的必備素養，也是面試必問，本文就是為了帶讀者們系統的一步一步擊破Java併發程式設計各個難點，打破屏障，在面試中所向披靡，拿到心儀的offer，Java併發程式設計系列文章依然採用圖文並茂的風格，讓小白也能秒懂。

Java記憶體模型（Java Memory Model）簡稱J M M，作為Java併發程式設計系列的開篇，它是Java併發程式設計的基礎知識，理解它能讓你更好的明白執行緒安全到底是怎麼一回事。

內容大綱

硬體記憶體模型

程式是指令與資料的集合，計算機執行程式時，是C P U在執行每條指令，因為C P U要從記憶體讀指令，又要根據指令指示去記憶體讀寫資料做運算，所以執行指令就免不了與記憶體打交道，早期記憶體讀寫速度與C P U處理速度差距不大，倒沒什麼問題。

C P U快取

隨著C P U技術快速發展，C P U的速度越來越快，記憶體卻沒有太大的變化，導致記憶體的讀寫（IO）速度與C P U的處理速度差距越來越大，為了解決這個問題，引入了快取（Cache）的設計，在C P U與記憶體之間加上快取層，這裡的快取層就是指C P U內的暫存器與快取記憶體（L1,L2,L3）

從上圖中可以看出，暫存器最快，主內最慢，越快的儲存空間越小，離C P U越近，相反儲存空間越大速度越慢，離C P U越遠。

C P U如何與記憶體互動

C P U執行時，會將指令與資料從主存複製到快取層，後續的讀寫與運算都是基於快取層的指令與資料，運算結束後，再將結果從快取層寫回主存。

上圖可以看出，C P U基本都是在和快取層打交道，採用快取設計彌補主存與C P U處理速度的差距，這種設計不僅僅體現在硬體層面，在日常開發中，那些併發量高的業務場景都能看到，但是凡事都有利弊，快取雖然加快了速度，同樣也帶來了在多執行緒場景存在的快取一致性問題，關於快取一致性問題後面會說，這裡大家留個印象。

Java記憶體模型

Java記憶體模型（Java Memory Model，J M M），後續都以J M M簡稱，J M M 是建立在硬體記憶體模型基礎上的抽象模型，並不是物理上的記憶體劃分，簡單說，為了使Java虛擬機器(Java Virtual Machine，J V M)在各平臺下達到一致的記憶體互動效果，需要遮蔽下游不同硬體模型的互動差異，統一規範，為上游提供統一的使用介面。

J M M是保證J V M在各平臺下對計算機記憶體的互動都能保證效果一致的機制及規範。

抽象結構

J M M抽象結構劃分為執行緒本地快取與主存，每個執行緒均有自己的本地快取，本地快取是執行緒私有的，主存則是計算機記憶體，它是共享的。

不難發現J M M與硬體記憶體模型差別不大，可以簡單的把執行緒類比成Core核心，執行緒本地快取類比成快取層，如下圖所示

雖然記憶體互動規範好了，但是多執行緒場景必然存線上程安全問題（競爭共享資源），為了使多執行緒能正確的同步執行，就需要保證併發的三大特性可見性、原子性、有序性。

可見性

當一個執行緒修改了共享變數的值，其他執行緒能夠立即得知這個修改，這就是可見性，如果無法保證，就會出現快取一致性的問題，J M M規定，所有的變數都放在主存中，當執行緒使用變數時，先從快取中獲取，快取未命中，再從主存複製到快取，最終導致執行緒操作的都是自己快取中的變數。

執行緒A執行流程

• 執行緒A從快取獲取變數a
• 快取未命中，從主存複製到快取，此時a是0
• 執行緒A獲取變數a，執行計算
• 計算結果1，寫入快取
• 計算結果1，寫入主存

執行緒B執行流程

• 執行緒B從快取獲取變數a
• 快取未命中，從主存複製到快取，此時a是1
• 執行緒B獲取變數a，執行計算
• 計算結果2，寫入快取
• 計算結果2，寫入主存

A、B兩個執行緒執行完後，執行緒A與執行緒B快取資料不一致，這就是快取一致性問題，一個是1，另一個是2，如果執行緒A再進行一次+1操作，寫入主存的還是2，也就是說兩個執行緒對a共進行了3次+1，期望的結果是3，最終得到的結果卻是2。

解決快取一致性問題，就要保證可見性，思路也很簡單，變數寫入主存後，把其他執行緒快取的該變數清空，這樣其他執行緒快取未命中，就會去主存載入。

執行緒A執行流程

• 執行緒A從快取獲取變數a
• 快取未命中，從主存複製到快取，此時a是0
• 執行緒A獲取變數a，執行計算
• 計算結果1，寫入快取
• 計算結果1，寫入主存，並清空執行緒B快取a變數

執行緒B執行流程

• 執行緒B從快取獲取變數a
• 快取未命中，從主存複製到快取，此時a是1
• 執行緒B獲取變數a，執行計算
• 計算結果2，寫入快取
• 計算結果2，寫入主存，並清空執行緒A快取a變數

A、B兩個執行緒執行完後，執行緒A快取是空的，此時執行緒A再進行一次+1操作，會從主存載入（先從快取中獲取，快取未命中，再從主存複製到快取）得到2，最後寫入主存的是3，Java中提供了volatile修飾變數保證可見性（本文重點是J M M，所以不會對volatile做過多的解讀）。

看似問題都解決了，然而上面描述的場景是建立在理想情況（執行緒有序的執行），實際中執行緒可能是併發（交替執行），也可能是並行，只保證可見性仍然會有問題，所以還需要保證原子性。

原子性

原子性是指一個或者多個操作在C P U執行的過程中不被中斷的特性，要麼執行，要不執行，不能執行到一半，為了直觀的瞭解什麼是原子性，看看下面這段程式碼

int a=0;
a++;

• 原子性操作：int a=0只有一步操作，就是賦值
• 非原子操作：a++有三步操作，讀取值、計算、賦值

如果多執行緒場景進行a++操作，僅保證可見性，沒有保證原子性，同樣會出現問題。

併發場景（執行緒交替執行）

• 執行緒A讀取變數a到快取，a是0
• 進行+1運算得到結果1
• 切換到B執行緒
• B執行緒執行完整個流程，a=1寫入主存
• 執行緒A恢復執行，把結果a=1寫入快取與主存
• 最終結果錯誤

並行場（執行緒同時執行）

• 執行緒A與執行緒B同時執行，可能執行緒A執行運算+1的時候，執行緒B就已經全部執行完成，也可能兩個執行緒同時計算完，同時寫入，不管是那種，結果都是錯誤的。

為了解決此問題，只要把多個操作變成一步操作，即保證原子性。

Java中提供了synchronized（同時滿足有序性、原子性、可見性）可以保證結果的原子性（注意這裡的描述），synchronized保證原子性的原理很簡單，因為synchronized可以對程式碼片段上鎖，防止多個執行緒併發執行同一段程式碼（本文重點是J M M，所以不會對synchronized做過多的解讀）。

併發場景（執行緒A與執行緒B交替執行）

• 執行緒A獲取鎖成功
• 執行緒A讀取變數a到快取，進行+1運算得到結果1
• 此時切換到了B執行緒
• 執行緒B獲取鎖失敗，阻塞等待
• 切換回執行緒A
• 執行緒A執行完所有流程，主存a=1
• 執行緒A釋放鎖成功，通知執行緒B獲取鎖
• 執行緒B獲取鎖成功，讀取變數a到快取，此時a=1
• 執行緒B執行完所有流程，主存a=2
• 執行緒B釋放鎖成功

並行場景

• 執行緒A獲取鎖成功
• 執行緒B獲取鎖失敗，阻塞等待
• 執行緒A讀取變數a到快取，進行+1運算得到結果1
• 執行緒A執行完所有流程，主存a=1
• 執行緒A釋放鎖成功，通知執行緒B獲取鎖
• 執行緒B獲取鎖成功，讀取變數a到快取，此時a=1
• 執行緒B執行完所有流程，主存a=2
• 執行緒B釋放鎖成功

synchronized對共享資原始碼段上鎖，達到互斥效果，天然的解決了無法保證原子性、可見性、有序性帶來的問題。

雖然在並行場A執行緒還是被中斷了，切換到了B執行緒，但它依然需要等待A執行緒執行完畢，才能繼續，所以結果的原子性得到了保證。

有序性

在日常搬磚寫程式碼時，可能大家都以為，程式執行時就是按照編寫順序執行的，但實際上不是這樣，編譯器和處理器為了最佳化效能，會對程式碼做重排，所以語句實際執行的先後順序與輸入的程式碼順序可能一致，這就是指令重排序。

可能讀者們會有疑問“指令重排為什麼能最佳化效能？”，其實C P U會對重排後的指令做並行執行，達到最佳化效能的效果。

重排序前的指令

重排序後的指令

重排序後，對a操作的指令發生了改變，節省了一次Load a和Store a，達到效能最佳化效果，這就是重排序帶來的好處。

重排遵循as-if-serial原則，編譯器和處理器不會對存在資料依賴關係的操作做重排序，因為這種重排序會改變執行結果（即不管怎麼重排序，單執行緒程式的執行結果不能被改變），下面這種情況，就屬於資料依賴。

int i = 10
int j = 10
//這就是資料依賴，int i 與 int j 不能排到 int c下面去
int c = i + j

但也僅僅只是針對單執行緒，多執行緒場景可沒這種保證，假設A、B兩個執行緒，執行緒A程式碼段無資料依賴，執行緒B依賴執行緒A的結果，如下圖（假設保證了可見性）

禁止重排場景（i預設0）

• 執行緒A執行i = 10
• 執行緒A執行b = true
• 執行緒B執行if( b )透過驗證
• 執行緒B執行i = i + 10
• 最終結果i是20

重排場景（i預設0）

• 執行緒A執行b = true
• 執行緒B執行if( b )透過驗證
• 執行緒B執行i = i + 10
• 執行緒A執行i = 10
• 最終結果i是10

為解決重排序，使用Java提供的volatile修飾變數同時保證可見性、有序性，被volatile修飾的變數會加上記憶體屏障禁止排序（本文重點是J M M，所以不會對volatile做過多的解讀）。

三大特性的保證