AlexChen's Blog并发理论基础
什么是并发？
CPU、内存、I/O 设备的速度是有极大差异的，为了合理利用 CPU 的高性能，平衡这三者的速度差异，计算机体系结构、操作系统、编译程序都做出了贡献，主要体现为：
- CPU 增加了缓存，以均衡与内存的速度差异；// 导致可见性问题
- 操作系统增加了进程、线程，以分时复用 CPU，进而均衡 CPU 与 I/O 设备的速度差异；// 导致原子性问题
- 编译程序优化指令执行次序，使得缓存能够得到更加合理地利用。// 导致有序性问题
并发带来的安全问题
- 可见性问题
可见性：指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。
在并发的时候，多个线程同时对一个共享变量进行修改操作，如果执行操作的两个线程不在一个 CPU 核心上，那么由于 CPU 高速缓存的存在，一个线程修改后的值，无法及时被另一个线程获知，导致最终结果不符合预期。
- 原子性问题
原子性：即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。
原子操作：即不会被线程调度机制打断的操作，没有上下文切换。
- 有序性问题
有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。
怎么解决上述问题？
JMM 本质上可以理解为，Java 内存模型规范了 JVM 如何提供按需禁用缓存和编译优化的方法。具体来说，这些方法包括：
- volatile、synchronized 和 final 三个关键字
- Happens-Before 规则
解决原子性问题
在 Java 中，对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作，即这些操作是不可被中断的，要么执行，要么不执行。
如果要实现更大范围操作的原子性，可以通过 synchronized 和 Lock 来实现。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。
解决可见性问题
- Java 提供了
volatile关键字来保证可见性。
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。
- 另外，通过
synchronized和Lock也能够保证可见性，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。
解决有序性问题
在 Java 里面，可以通过 volatile 关键字来保证一定的“有序性”。另外可以通过 synchronized 和 Lock 来保证有序性，很显然，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。当然 JMM 是通过 Happens-Before 规则来保证有序性的。
Happens-Before 原则
在 Java 中，有以下天然的 happens-before 关系：
- 程序顺序规则：一个线程中的每一个操作，happens-before 于该线程中的任意后续操作。
- 监视器锁规则：对一个锁的解锁，happens-before 于随后对这个锁的加锁。
- volatile 变量规则：对一个 volatile 域的写，happens-before 于任意后续对这个 volatile 域的读。
- 传递性：如果 A happens-before B，且 B happens-before C，那么 A happens-before C。
- start 规则：如果线程 A 执行操作 ThreadB.start() 启动线程 B，那么 A 线程的 ThreadB.start（）操作 happens-before 于线程 B 中的任意操作、
- join 规则：如果线程 A 执行操作 ThreadB.join（）并成功返回，那么线程 B 中的任意操作 happens-before 于线程 A 从 ThreadB.join() 操作成功返回。