背景：看完《深入理解Java虚拟机》和相关博客，对JVM还是没有一个条理清晰的认识，遂提取了书中相关知识点和参考相关优秀博客并整理成JVM专题博文系列，帮助自己巩固并理清有关JVM的知识重点，也分享出来给有需要的童鞋，如有差错，欢迎拍砖！

如何保证并发安全

我们说，并发编程，为了保证数据的安全，需要满足以下三个特性：

原子性是指在一个操作中就是cpu不可以在中途暂停然后再调度，既不被中断操作，要不执行完成，要不就不执行。

可见性是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。

有序性即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

有没有发现，缓存一致性问题其实就是可见性问题，而处理器优化是可以导致原子性问题的，指令重排即会导致有序性问题。

如何解决并发问题？

为了保证并发编程中可以满足原子性、可见性及有序性。有一个重要的概念，那就是——内存模型。
为了保证共享内存的正确性（可见性、有序性、原子性），内存模型定义了共享内存系统中多线程程序读写操作行为的规范。通过这些规则来规范对内存的读写操作，从而保证指令执行的正确性。它与处理器有关、与缓存有关、与并发有关、与编译器也有关。他解决了CPU多级缓存、处理器优化、指令重排等导致的内存访问问题，保证了并发场景下的一致性、原子性和有序性。
内存模型解决并发问题主要采用两种方式：限制处理器优化和使用内存屏障
原理参考：Java内存模型底层实现原理

Java内存模型

Java内存模型（Java Memory Model ,JMM）就是一种符合内存模型规范的，屏蔽了各种硬件和操作系统的访问差异的，保证了Java程序在各种平台下对内存的访问都能保证效果一致的机制及规范。

抽象结构JMM

Java线程之间的通信由java内存模型（JMM）控制，JMM决定一个线程对共享变量（实例域、静态域和数组）的写入何时对其它线程可见。

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中，每条线程还有自己的工作内存（只是一个抽象概念，物理上不存在），线程的工作内存中保存了该线程中是用到的变量的主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量的传递均需要自己的工作内存和主存之间进行数据同步进行。
而JMM就作用于工作内存和主存之间数据同步过程。他规定了如何做数据同步以及什么时候做数据同步。

JMM

所以，线程A和线程B之前需要通信的话，必须经过一下两个步骤：
1、线程A把本地内存中更新过的共享变量刷新到主内存中。
2、线程B到主内存中读取线程A之前更新过的共享变量。

确保各个线程按照一定的机制同一时刻只能运行一个线程更新主内存的值。
具体逻辑示意图如下：

image

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间的实现细节，Java内存模型中定义了8种操作来完成。

而且还规定在执行上述8种基本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了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）。

Java内存模型，除了定义了一套规范，还提供了一系列原语，封装了底层实现后，供开发者直接使用。

原子性

在Java中，为了保证原子性，提供了两个高级的字节码指令monitorenter和monitorexit。在synchronized的实现原理文章中，介绍过，这两个字节码，在Java中对应的关键字就是synchronize。

可见性

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的这种依赖主内存作为传递媒介的方式来实现的。
Java中的volatile关键字提供了一个功能，那就是被其修饰的变量在被修改后可以立即同步到主内存，被其修饰的变量在每次是用之前都从主内存刷新。因此，可以使用volatile来保证多线程操作时变量的可见性。
除了volatile，Java中的synchronized和final两个关键字也可以实现可见性。只不过实现方式不同，这里不再展开了。

有序性

在Java中，可以使用synchronized和volatile来保证多线程之间操作的有序性。实现方式有所区别：
volatile关键字会禁止指令重排。
synchronized关键字保证同一时刻只允许一条线程操作。

读者可能发现了，好像synchronized关键字是万能的，他可以同时满足以上三种特性，这其实也是很多人滥用synchronized的原因。
但是synchronized是比较影响性能的，虽然编译器提供了很多锁优化技术，但是也不建议过度使用。

以上8种内存访问操作以及上述规则限定，再加上volatile的一些特殊规定以及final不可变特性，就已经完成确定了JAVA程序中那些内存访问操作在并发下是安全的！

参考：
Java内存模型是什么

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