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硬件的效率与一致性
“让计算机并发执行若干个运算任务”与“更充分地利用计算机处理器的效能”之间的因果关系，看
起来理所当然，实际上它们之间的关系并没有想象中那么简单，其中一个重要的复杂性的来源是绝大
多数的运算任务都不可能只靠处理器“计算”就能完成。处理器至少要与内存交互，如读取运算数据、
存储运算结果等，这个I/O操作就是很难消除的（无法仅靠寄存器来完成所有运算任务）。由于计算机
的存储设备与处理器的运算速度有着几个数量级的差距，所以现代计算机系统都不得不加入一层或多
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
理器就无须等待缓慢的内存读写了。
基于高速缓存的存储交互很好地解决了处理器与内存速度之间的矛盾，但是也为计算机系统带来
更高的复杂度，它引入了一个新的问题：缓存一致性（Cache Coherence）。在多路处理器系统中，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），这种系统称为共享内存
多核系统（Shared Memory Multiprocessors System），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。如果真的发生这种情况，那同步回到主内
存时该以谁的缓存数据为准呢？为了解决一致性的问题，需要各个处理器访问缓存时都遵循一些协
议，在读写时要根据协议来进行操作，这类协议有MSI、MESI（Illinois Protocol）、MOSI、
Synapse、Firefly及Dragon Protocol等。
除了增加高速缓存之外，为了使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外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指令重排序
（Instruction Reorder）优化。
Java内存模型
《Java虚拟机规范》[1]中曾试图定义一种“Java内存模型” [2]（Java Memory Model，JMM）来屏
蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效
果。在此之前，主流程序语言（如C和C++等）直接使用物理硬件和操作系统的内存模型。因此，由于
不同平台上内存模型的差异，有可能导致程序在一套平台上并发完全正常，而在另外一套平台上并发
访问却经常出错，所以在某些场景下必须针对不同的平台来编写程序。
Java内存模型的主要目的是定义程序中各种变量的访问规则，即关注在虚拟机中把变量值存储到
内存和从内存中取出变量值这样的底层细节。此处的变量（Variables）与Java编程中所说的变量有所区
别，它包括了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，但是不包括局部变量与方法参数，因为后
者是线程私有的[1]，不会被共享，自然就不会存在竞争问题。为了获得更好的执行效能，Java内存模
型并没有限制执行引擎使用处理器的特定寄存器或缓存来和主内存进行交互，也没有限制即时编译器
是否要进行调整代码执行顺序这类优化措施。
Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存（Main Memory）中（此处的主内存与介绍物理
硬件时提到的主内存名字一样，两者也可以类比，但物理上它仅是虚拟机内存的一部分）。每条线程
还有自己的工作内存（Working Memory，可与前面讲的处理器高速缓存类比），线程的工作内存中保
存了被该线程使用的变量的主内存副本[2]，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数据[3]（根据《Java虚拟机规范》的约定，volatile变量依然有工作内存的拷贝，但是由于它特殊的操作顺序性规定（后文会讲到），所以看起来如同直接在主内存中读写访问一般，因此这里的描述对于volatile也并不存在例外。）。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。
内存间交互操作
内存同步回主内存这一类的实现细节，Java内存模型中定义了以下8种操作来完成。Java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，这个问题在12.3.4节会专门讨论）[1]。
·lock（锁定）：作用于主内存的变量，它把一个变量标识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拷贝到工作内存，那就要按顺序执行read和load操作，如果要把变量从
工作内存同步回主内存，就要按顺序执行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，但不要求是连续执行。也就是说read与load之间、store与write之间是可插入其他指令
的，如对主内存中的变量a、b进行访问时，一种可能出现的顺序是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assign和load操作。
·一个变量在同一个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操作以初始化变量的值。
·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）。
这8种内存访问操作以及上述规则限定，再加上稍后会介绍的专门针对volatile的一些特殊规定，就
已经能准确地描述出Java程序中哪些内存访问操作在并发下才是安全的。这种定义相当严谨，但也是
极为烦琐，实践起来更是无比麻烦。后来Java设计团队大概也意识到了这个问题，将Java内存模型的操作简化为read、write、lock和unlock四种，但这只是语言描述上的等价化简，Java内存模型的基础设计并未改变。
对于volatile型变量的特殊规则
当一个变量被定义成volatile之后，它将具备两项特性：第一项是保证此变量对所有线程的可见
性，这里的“可见性”是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是可以立即得知
的。而普通变量并不能做到这一点，普通变量的值在线程间传递时均需要通过主内存来完成。比如，
线程A修改一个普通变量的值，然后向主内存进行回写，另外一条线程B在线程A回写完成了之后再对
主内存进行读取操作，新变量值才会对线程B可见。
关于volatile变量的可见性，经常会被开发人员误解，他们会误以为下面的描述是正确的：“volatile
变量对所有线程是立即可见的，对volatile变量所有的写操作都能立刻反映到其他线程之中。换句话
说，volatile变量在各个线程中是一致的，所以基于volatile变量的运算在并发下是线程安全的”。这句话
的论据部分并没有错，但是由其论据并不能得出“基于volatile变量的运算在并发下是线程安全的”这样
的结论。volatile变量在各个线程的工作内存中是不存在一致性问题的（从物理存储的角度看，各个线
程的工作内存中volatile变量也可以存在不一致的情况，但由于每次使用之前都要先刷新，执行引擎看
不到不一致的情况，因此可以认为不存在一致性问题），但是Java里面的运算操作符并非原子操作，
这导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的。
volatile的运算
/**
* volatile变量自增运算测试
*
* @author zzm
*/
public class VolatileTest {
public static volatile int race = 0;
public static void increase() {
race++;
}
private static final int THREADS_COUNT = 20;
public static void main(String[] args) {
Thread[] threads = new Thread[THREADS_COUNT];
for (int i = 0; i < THREADS_COUNT; i++) {
threads[i] = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
increase();
}
}
});
threads[i].start();
}
// 等待所有累加线程都结束
while (Thread.activeCount() > 1)
Thread.yield();
System.out.println(race);
}
}这段代码发起了20个线程，每个线程对race变量进行10000次自增操作，如果这段代码能够正确并
发的话，最后输出的结果应该是200000。读者运行完这段代码之后，并不会获得期望的结果，而且会
发现每次运行程序，输出的结果都不一样，都是一个小于200000的数字。
问题就出在自增运算“race++”之中，我们用Javap反编译这段代码后会得到代码清单12-2所示，发
现只有一行代码的increase()方法在Class文件中是由4条字节码指令构成（return指令不是由race++产生
的，这条指令可以不计算），从字节码层面上已经很容易分析出并发失败的原因了：当getstatic指令把
race的值取到操作栈顶时，volatile关键字保证了race的值在此时是正确的，但是在执行iconst_1、iadd这
些指令的时候，其他线程可能已经把race的值改变了，而操作栈顶的值就变成了过期的数据，所以
putstatic指令执行后就可能把较小的race值同步回主内存之中。
public static void increase();
Code:
Stack=2, Locals=0, Args_size=0
0: getstatic #13; //Field race:I
3: iconst_1
4: iadd
5: putstatic #13; //Field race:I
8: return
LineNumberTable:
line 14: 0
line 15: 8实事求是地说，笔者使用字节码来分析并发问题仍然是不严谨的，因为即使编译出来只有一条字
节码指令，也并不意味执行这条指令就是一个原子操作。一条字节码指令在解释执行时，解释器要运
行许多行代码才能实现它的语义。如果是编译执行，一条字节码指令也可能转化成若干条本地机器码
指令。此处使用-XX：+PrintAssembly参数输出反汇编来分析才会更加严谨一些。
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，我们仍然要通过加锁
（使用synchronized、java.util.concurrent中的锁或原子类）来保证原子性：
·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。
·变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束。
而在像代码清单12-3所示的这类场景中就很适合使用volatile变量来控制并发，当shutdown()方法被
调用时，能保证所有线程中执行的doWork()方法都立即停下来。
使用volatile变量的第二个语义是禁止指令重排序优化，普通的变量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。因为在同一个线程的方法执行过程中无法感知到这点，这就是Java内存模型中描述的
所谓“线程内表现为串行的语义”（Within-Thread As-If-Serial Semantics）。
Map configOptions;
char[] configText;
// 此变量必须定义为volatile
volatile boolean initialized = false;
// 假设以下代码在线程A中执行
// 模拟读取配置信息，当读取完成后
// 将initialized设置为true,通知其他线程配置可用
configOptions = new HashMap();
configText = readConfigFile(fileName);
processConfigOptions(configText, configOptions);
initialized = true;
// 假设以下代码在线程B中执行
// 等待initialized为true，代表线程A已经把配置信息初始化完成
while (!initialized) {
sleep();
}
// 使用线程A中初始化好的配置信息
doSomethingWithConfig();，如果定义
initialized变量时没有使用volatile修饰，就可能会由于指令重排序的优化，导致位于线程A中最后一条
代码“initialized=true”被提前执行（这里虽然使用Java作为伪代码，但所指的重排序优化是机器级的优
化操作，提前执行是指这条语句对应的汇编代码被提前执行），这样在线程B中使用配置信息的代码
就可能出现错误，而volatile关键字则可以避免此类情况的发生[2]。
public class Singleton {
private volatile static Singleton instance;
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
public static void main(String[] args) {
Singleton.getInstance();
}
}指令重排的影响
在没有适当的同步机制（如 volatile 或者 synchronized 块）的情况下，指令重排可能导致以下问题：
未初始化的对象访问：在指令重排的情况下，即使对象的创建顺序是先分配内存空间、然后初始化、最后复制给变量，但其他线程在没有同步的情况下仍有可能看到未初始化完成的对象。这是因为指令重排可能会导致对象引用先被赋值给变量
instance，然后再执行对象初始化的步骤。如果另一个线程在此时检查instance不为null，它可能会获取到尚未完全初始化的对象，从而导致访问到未初始化的字段或方法，这是线程安全性问题的一种表现。单线程情况下的保证：在单线程环境下，即使存在指令重排，最终程序的执行结果应该与没有指令重排时的结果是一致的。这是因为指令重排是为了提高性能，不应该改变程序的逻辑结果。因此，单线程情况下即使存在指令重排，也不会出现对象未初始化的情况，因为在单线程环境下，对象的初始化操作一定在对象的引用被返回之前完成。
区别
多线程环境下：指令重排可能会导致对象的引用先被赋值给变量
instance，然后才进行对象的初始化操作。在没有适当的同步机制的情况下，其他线程可能会看到instance不为null，但实际上引用的对象还没有完成初始化，这会导致线程安全问题。单线程环境下：无论是否存在指令重排，最终的程序执行结果应该是一致的。即使发生了指令重排，单线程环境下的程序逻辑仍然保持正确性，因为指令重排不会改变单线程程序的最终结果。
因此，关键在于多线程环境下，指令重排可能会导致其他线程看到未初始化的对象，而单线程环境下，指令重排不会引发未初始化对象的访问问题。在单例模式等需要严格控制对象初始化和线程安全性的情况下，使用 volatile 或者 synchronized 等同步机制是必要的，以确保对象的安全发布和初始化顺序。
指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，volatile变量读操作的性能消耗与普通变量几乎没有什么差别，但是写操作则可能
会慢上一些，因为它需要在本地代码中插入许多内存屏障指令来保证处理器不发生乱序执行。
在某些情况下，volatile的同步机制的性能确实要优于锁
（使用synchronized关键字或java.util.concurrent包里面的锁），但是由于虚拟机对锁实行的许多消除和
优化，使得我们很难确切地说volatile就会比synchronized快上多少。如果让volatile自己与自己比较，那
可以确定一个原则：volatile变量读操作的性能消耗与普通变量几乎没有什么差别，但是写操作则可能
会慢上一些，因为它需要在本地代码中插入许多内存屏障指令来保证处理器不发生乱序执行。不过即
便如此，大多数场景下volatile的总开销仍然要比锁来得更低。我们在volatile与锁中选择的唯一判断依
据仅仅是volatile的语义能否满足使用场景的需求。
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。
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。
求volatile修饰的变量不会被指令重排序优化，从而保证代码的执行顺序与程序的顺序
相同。
原子性、可见性与有序性
原子性（Atomicity）
由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这六个，
我们大致可以认为，基本数据类型的访问、读写都是具备原子性的。
如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证（经常会遇到），Java内存模型还提供了lock和
unlock操作来满足这种需求，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）
可见性就是指当一个线程修改了共享变量的值时，其他线程能够立即得知这个修改。上文在讲解
volatile变量的时候我们已详细讨论过这一点。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。因此我们可以说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，它们是synchronized和final。同步块的可见
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（执行store、write操
作）”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被初始化完
成，并且构造器没有把“this”的引用传递出去（this引用逃逸是一件很危险的事情，其他线程有可能通
过这个引用访问到“初始化了一半”的对象），那么在其他线程中就能看见final字段的值。如代码清单
12-7所示，变量i与j都具备可见性，它们无须同步就能被其他线程正确访问。
public static final int i;
public final int j;
static {
i = 0;
// 省略后续动作
}
{
// 也可以选择在构造函数中初始化
j = 0;
// 省略后续动作
}有序性（Ordering）
Java内存模型的有序性在前面讲解volatile时也比较详细地讨论过了，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；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。前半句是指“线程内似表现为串行的语义”（Within-Thread As-If-Serial
Semantics），后半句是指“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“一个变量在同一个时刻只允许一条线程对
其进行lock操作”这条规则获得的，这个规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。
介绍完并发中三种重要的特性，读者是否发现synchronized关键字在需要这三种特性的时候都可以
作为其中一种的解决方案？看起来很“万能”吧？的确，绝大部分并发控制操作都能使用synchronized来
完成。synchronized的“万能”也间接造就了它被程序员滥用的局面，越“万能”的并发控制，通常会伴随
着越大的性能影响。