Java多线程
1.可见性、原子性和有序性问题
多线程有三大特性，分别是可见性、原子性和有序性。
1.1可见性
在单核时代，所有的线程都是在一颗CPU上执行，CPU缓存与内存的数据一致性容易解决。因为所有线程都是操作同一个CPU的缓存，一个线程对缓存的写，对另外一个线程来说一定是可见的。一个线程对共享变量的修改，另外一个线程能够立刻看到，我们称为可见性。多核时代，每颗CPU都有自己的缓存，这时CPU缓存与内存的数据一致性就没那么容易解决了，当多个线程在不同的CPU上执行时，这些线程操作的是不同的CPU缓存。比如下图中，线程A操作的是CPU-1上的缓存，而线程B操作的是CPU-2上的缓存，很明显，这个时候线程A对变量V的操作对于线程B而言就不具备可见性了。
1.2 原子性
由于IO太慢，早期的操作系统就发明了多进程，即便在单核的CPU上我们也可以一边听着歌，一边写Bug，这个就是多进程的功劳。操作系统允许某个进程执行一小段时间，例如50毫秒，过了50毫秒操作系统就会重新选择一个进程来执行（我们称为“任务切换”），这个50毫秒称为“时间片”。
在一个时间片内，如果一个进程进行一个IO操作，例如读个文件，这个时候该进程可以把自己标记为“休眠状态”并出让CPU的使用权，待文件读进内存，操作系统会把这个休眠的进程唤醒，唤醒后的进程就有机会重新获得CPU的使用权了。这里的进程在等待IO时之所以会释放CPU使用权，是为了让CPU在这段等待时间里可以做别的事情，这样一来CPU的使用率就上来了；此外，如果这时有另外一个进程也读文件，读文件的操作就会排队，磁盘驱动在完成一个进程的读操作后，发现有排队的任务，就会立即启动下一个读操作，这样IO的使用率也上来了。
Java多线程也会涉及到任务切换，任务切换的时机大多数是在时间片结束的时候，我们现在基本都使用高级语言编程，高级语言里一条语句往往需要多条CPU指令完成，例如上面代码中的count += 1，至少需要三条CPU指令。
- 指令1：首先，需要把变量count从内存加载到CPU的寄存器；
- 指令2：之后，在寄存器中执行+1操作；
- 指令3：最后，将结果写入内存（缓存机制导致可能写入的是CPU缓存而不是内存）。
操作系统做任务切换，可以发生在任何一条CPU指令执行完，是的，是CPU指令，而不是高级语言里的一条语句。对于上面的三条指令来说，我们假设count=0，如果线程A在指令1执行完后做线程切换，线程A和线程B按照下图的序列执行，那么我们会发现两个线程都执行了count+=1的操作，但是得到的结果不是我们期望的2，而是1。
我们潜意识里面觉得count+=1这个操作是一个不可分割的整体，就像一个原子一样，线程的切换可以发生在count+=1之前，也可以发生在count+=1之后，但就是不会发生在中间。我们把一个或者多个操作在CPU执行的过程中不被中断的特性称为原子性。CPU能保证的原子操作是CPU指令级别的，而不是高级语言的操作符，这就带来了原子性问题。
1.3 有序性
有序性指的是程序按照代码的先后顺序执行。编译器为了优化性能，有时候会改变程序中语句的先后顺序，例如程序中：“a=6；b=7；”编译器优化后可能变成“b=7；a=6；”，在这个例子中，编译器调整了语句的顺序，但是不影响程序的最终结果。不过有时候编译器及解释器的优化可能导致意想不到的Bug。
在Java领域一个经典的案例就是利用双重检查创建单例对象，例如下面的代码：在获取实例getInstance()的方法中，我们首先判断instance是否为空，如果为空，则锁定Singleton.class并再次检查instance是否为空，如果还为空则创建Singleton的一个实例。
public class Singleton { static Singleton instance; static Singleton getInstance(){ if (instance == null) { synchronized(Singleton.class) { if (instance == null) instance = new Singleton(); } } return instance; } }
假设有两个线程A、B同时调用getInstance()方法，他们会同时发现 instance == null ，于是同时对Singleton.class加锁，此时JVM保证只有一个线程能够加锁成功（假设是线程A），另外一个线程则会处于等待状态（假设是线程B）；线程A会创建一个Singleton实例，之后释放锁，锁释放后，线程B被唤醒，线程B再次尝试加锁，此时是可以加锁成功的，加锁成功后，线程B检查 instance == null 时会发现，已经创建过Singleton实例了，所以线程B不会再创建一个Singleton实例。
这看上去一切都很完美，无懈可击，但实际上这个getInstance()方法并不完美。问题出在哪里呢？出在new操作上，我们以为的new操作应该是：
- 分配一块内存M；
- 在内存M上初始化Singleton对象；
- 然后M的地址赋值给instance变量。
但是实际上编译器优化后的执行路径却是这样的：
- 分配一块内存M；
- 将M的地址赋值给instance变量；
- 最后在内存M上初始化Singleton对象。
优化后会导致什么问题呢？我们假设线程A先执行getInstance()方法，当执行完指令2时恰好发生了线程切换，切换到了线程B上；如果此时线程B也执行getInstance()方法，那么线程B在执行第一个判断时会发现 instance != null ，所以直接返回instance，而此时的instance是没有初始化过的，如果我们这个时候访问 instance 的成员变量就可能触发空指针异常。
2.解决可见性和有序性问题
导致有序性的原因是编译优化，那解决可见性、有序性最直接的办法就是禁用缓存和编译优化，但是这样问题虽然解决了，我们程序的性能可就堪忧了。合理的方案应该是按需禁用缓存以及编译优化。那么，如何做到“按需禁用”呢？对于并发程序，何时禁用缓存以及编译优化只有程序员知道，那所谓“按需禁用”其实就是指按照程序员的要求来禁用。所以，为了解决可见性和有序性问题，只需要提供给程序员按需禁用缓存和编译优化的方法即可。Java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，以及六项 Happens-Before 规则。
2.1 volatile
当用volatile修饰变量时，它表达的是：告诉编译器，对这个变量的读写，不能使用CPU缓存，必须从内存中读取或者写入，保证每次取到最新的值。
2.2 Happens-Before 规则
如何理解 Happens-Before 指的是 前面一个操作的结果对后续操作是可见的。Happens-Before 规则就是要保证线程之间的这种“心灵感应”。所以比较正式的说法是：Happens-Before 约束了编译器的优化行为，虽允许编译器优化，但是要求编译器优化后一定遵守 Happens-Before 规则。
Happens-Before 规则应该是Java内存模型里面最晦涩的内容了，和程序员相关的规则一共有如下六项，都是关于可见性的。
恰好前面示例代码涉及到这六项规则中的前三项，为便于你理解，我也会分析上面的示例代码，来看看规则1、2和3到底该如何理解。至于其他三项，我也会结合其他例子作以说明。
1. 程序的顺序性规则
这条规则是指在一个线程中，按照程序顺序，前面的操作 Happens-Before 于后续的任意操作。这还是比较容易理解的，比如刚才那段示例代码，按照程序的顺序，第6行代码 “x = 42;” Happens-Before 于第7行代码 “v = true;”，这就是规则1的内容，也比较符合单线程里面的思维：程序前面对某个变量的修改一定是对后续操作可见的。
class VolatileExample {
int x = 0;
volatile boolean v = false;
public void writer() {
x = 42;
v = true;
}
public void reader() {
if (v == true) {
// 这里x会是多少呢？
}
}
}
2. volatile变量规则
这条规则是指对一个volatile变量的写操作， Happens-Before 于后续对这个volatile变量的读操作。
这个就有点费解了，对一个volatile变量的写操作相对于后续对这个volatile变量的读操作可见，这怎么看都是禁用缓存的意思啊，貌似和1.5版本以前的语义没有变化啊？如果单看这个规则，的确是这样，但是如果我们关联一下规则3，就有点不一样的感觉了。
3. 传递性
这条规则是指如果A Happens-Before B，且B Happens-Before C，那么A Happens-Before C。
我们将规则3的传递性应用到我们的例子中，会发生什么呢？可以看下面这幅图：
从图中，我们可以看到：
- “x=42” Happens-Before 写变量 “v=true” ，这是规则1的内容；
- 写变量“v=true” Happens-Before 读变量 “v=true”，这是规则2的内容 。
再根据这个传递性规则，我们得到结果：“x=42” Happens-Before 读变量“v=true”。这意味着什么呢？
如果线程B读到了“v=true”，那么线程A设置的“x=42”对线程B是可见的。也就是说，线程B能看到 “x == 42” ，有没有一种恍然大悟的感觉？这就是1.5版本对volatile语义的增强，这个增强意义重大，1.5版本的并发工具包（java.util.concurrent）就是靠volatile语义来搞定可见性的，这个在后面的内容中会详细介绍。
4. 管程中锁的规则
这条规则是指对一个锁的解锁 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁。
要理解这个规则，就首先要了解“管程指的是什么”。管程是一种通用的同步原语，在Java中指的就是synchronized，synchronized是Java里对管程的实现。
管程中的锁在Java里是隐式实现的，例如下面的代码，在进入同步块之前，会自动加锁，而在代码块执行完会自动释放锁，加锁以及释放锁都是编译器帮我们实现的。
synchronized (this) { //此处自动加锁
// x是共享变量,初始值=10
if (this.x < 12) {
this.x = 12;
}
} //此处自动解锁
所以结合规则4——管程中锁的规则，可以这样理解：假设x的初始值是10，线程A执行完代码块后x的值会变成12（执行完自动释放锁），线程B进入代码块时，能够看到线程A对x的写操作，也就是线程B能够看到x==12。这个也是符合我们直觉的，应该不难理解。
5. 线程 start() 规则
这条是关于线程启动的。它是指主线程A启动子线程B后，子线程B能够看到主线程在启动子线程B前的操作。
换句话说就是，如果线程A调用线程B的 start() 方法（即在线程A中启动线程B），那么该start()操作 Happens-Before 于线程B中的任意操作。具体可参考下面示例代码。
Thread B = new Thread(()->{ // 主线程调用B.start()之前 // 所有对共享变量的修改，此处皆可见 // 此例中，var==77 }); // 此处对共享变量var修改 var = 77; // 主线程启动子线程 B.start();
6. 线程 join() 规则
这条是关于线程等待的。它是指主线程A等待子线程B完成（主线程A通过调用子线程B的join()方法实现），当子线程B完成后（主线程A中join()方法返回），主线程能够看到子线程的操作。当然所谓的“看到”，指的是对共享变量的操作。换句话说就是，如果在线程A中，调用线程B的 join() 并成功返回，那么线程B中的任意操作Happens-Before 于该 join() 操作的返回。
2.3 final
前面我们讲volatile为的是禁用缓存以及编译优化，我们再从另外一个方面来看，有没有办法告诉编译器优化得更好一点呢？这个可以有，就是final关键字。
final修饰变量时，初衷是告诉编译器：这个变量生而不变，可以可劲儿优化。Java编译器在1.5以前的版本的确优化得很努力，以至于都优化错了。
问题类似于上一期提到的利用双重检查方法创建单例，构造函数的错误重排导致线程可能看到final变量的值会变化。
当然了，在1.5以后Java内存模型对final类型变量的重排进行了约束。现在只要我们提供正确构造函数没有“逸出”，就不会出问题了。
“逸出”有点抽象，我们还是举个例子吧，在下面例子中，在构造函数里面将this赋值给了全局变量global.obj，这就是“逸出”，线程通过global.obj读取x是有可能读到0的。因此我们一定要避免“逸出”。
final int x; // 错误的构造函数 public FinalFieldExample() { x = 3; y = 4; // 此处就是将this逸出 global.obj = this; }
3.解决原子性问题
Java解决原子性主要用到了锁的概念。
Java 是依靠 Synchronized 关键字实现锁功能来做到这点的。Synchronized 是 JVM 实现的一种内置锁，锁的获取和释放是由 JVM 隐式实现。到了 JDK1.5 版本，并发包中新增了 Lock 接口来实现锁功能，它提供了与 Synchronized 关键字类似的同步功能，只是在使用时需要显式获取和释放锁。Lock 同步锁是基于 Java 实现的，而 Synchronized 是基于底层操作系统的 Mutex Lock 实现的，每次获取和释放锁操作都会带来用户态和内核态的切换，从而增加系统性能开销。因此，在锁竞争激烈的情况下，Synchronized 同步锁在性能上就表现得非常糟糕，它也常被大家称为重量级锁。特别是在单个线程重复申请锁的情况下，JDK1.5 版本的 Synchronized 锁性能要比 Lock 的性能差很多。到了 JDK1.6 版本之后，Java 对 Synchronized 同步锁做了充分的优化，甚至在某些场景下，它的性能已经超越了 Lock 同步锁。这一讲我们就来看看 Synchronized 同步锁究竟是通过了哪些优化，实现了性能地提升。
JVM 中的同步是基于进入和退出管程（Monitor）对象实现的。每个对象实例都会有一个 Monitor，Monitor 可以和对象一起创建、销毁。Monitor 是由 ObjectMonitor 实现，而 ObjectMonitor 是由 C++ 的 ObjectMonitor.hpp 文件实现。当多个线程同时访问一段同步代码时，多个线程会先被存放在 ContentionList 和 _EntryList 集合中，处于 block 状态的线程，都会被加入到该列表。接下来当线程获取到对象的 Monitor 时，Monitor 是依靠底层操作系统的 Mutex Lock 来实现互斥的，线程申请 Mutex 成功，则持有该 Mutex，其它线程将无法获取到该 Mutex，竞争失败的线程会再次进入 ContentionList 被挂起。如果线程调用 wait() 方法，就会释放当前持有的 Mutex，并且该线程会进入 WaitSet 集合中，等待下一次被唤醒。如果当前线程顺利执行完方法，也将释放 Mutex。同步锁在这种实现方式中，因 Monitor 是依赖于底层的操作系统实现，存在用户态与内核态之间的切换，所以增加了性能开销。
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3.1锁升级优化
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