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线程创建的方法

Runnable

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public class RunnableTest implements Runnable {

    @Override
    public void run() {//执行具体的逻辑
        System.out.println(Thread.currentThread()+"启动");
    }
}

public static void main(String[] args) throws Exception {
   Runnable runnable = new RunnableTest();
   Thread thread = new Thread(runnable);
   thread.start();//启动线程
}

Thread

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package thread;

public class MyThread extends Thread {


    public MyThread(String name) {
        super(name);
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(getName()+"启动");
        try {
            sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(currentThread());
    }
}

public static void main(String[] args) throws Exception {
  Thread thread = new MyThread("线程");
  thread.start();
}

Callable和Future

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public class MyCallable implements Callable<String> {
    @Override
    public String call() throws Exception {
        Thread.sleep(1000);
        return "完成了";
    }
}

public static void main(String[] args) throws Exception {
   Callable<String> callable = new MyCallable();
   FutureTask<String> task = new FutureTask<>(callable);
   Thread t = new Thread(task);
   t.start();
   System.out.println(task.get());
}

Callable和Runnable的主要区别是，Callable是有返回值的。

FutureTask是包装类，可将Callable转换为Future和Runable，它同时实现
了二者的接口。Future接口如下：

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public interface Future<V> {
    //取消未开始执行的方法，如果方法已经执行，并且mayInterruptIfRunning=true，则中断
    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);

    boolean isCancelled();//判断是否被取消

    boolean isDone();//判断call是否执行完了

    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;//get()方法的调用会被堵塞，直到call方法中方法执行完成

    V get(long timeout, TimeUnit unit)//调用超时时，会抛出异常
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

线程的状态

线程有六种状态，分别如下：

  • New (新创建)
  • Runnable (可运行)
  • Blocked (被阻塞)
  • Waiting (等待)
  • Timed waitting (计时等待)
  • Terminated (被终止)

可以通过getState()获取线程所处的状态

线程中断

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void interrupt() //请求线程中断，线程不一定会中断
boolean isInterrupted() //检测当前线程是否中断，不会改变中断状态
static boolean interrupted() //检测当前线程是否中断，会重置中断状态为false

isInterrupted()和interrupted()的源码如下：

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public static boolean interrupted() {
        return currentThread().isInterrupted(true);
}

public boolean isInterrupted() {
        return isInterrupted(false);
}
//true表示重置中断状态为false，false表示不改变中断状态
private native boolean isInterrupted(boolean ClearInterrupted);

注意：当线程处于New或Terminated状态时，中断操作无效，即中断状态不会改变；
当线程处于Runnable或Blocked时，中断操作只会改变中断状态，并不会中断程序，
这时需要我们使用if(Thread.currentThread().isInterrupted())来判断是否处于中断状态，
自己处理，这样增加了灵活性；当线程处于Waiting或Timed waitting时，中断操作会
抛出异常，并且结束程序。

过时的方法:

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void stop()
void suspend()
void resume()

join方法

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void join() 等待终止指定的线程

void join(long millis) 等待指定的线程死亡或者经过指定的毫秒数

等待所有的线程执行后执行main方法：

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List<Thread> list = new Vector<>();
for (int i = 0; i <10 ; i++) {
    Thread thread = new MyThread("线程"+i);
    thread.start();
    list.add(thread);
}
list.forEach(t -> {
    try {
        t.join();//注意，join方法只有在start方法之后调用才有效
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
});
System.out.println("主线程执行");

线程优先级

每一个线程都有一个优先级，在默认的情况下，一个线程继承它父类线程的优先级。
可以使用setPriority(int newPriority)设置优先级。

优先级的等级在MIN_PRIORITY（默认值为1）和MAX_PRIORITY（默认值为10）之间；默认为
NORM_PRIORITY(默认值为5).

守护线程

守护线程的唯一用途是为其他线程通过服务。注意：守护线程应该永远不去
访问固有资源，如文件，数据库，因为它会在任何时刻甚至在一个操作中间
发生中断。

设置守护线程的方法setDaemon(boolean isDaemon)

未捕获异常处理器

当线程发生非受查异常时，我们可以设置异常处理器来处理这个异常，比如打印log或者报告给日志文件。

设置未捕获异常处理器的方法有

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void setUncaughtExceptionHandler(UncaughtExceptionHandler eh)//UncaughtExceptionHandler处理异常的接口

static void setDefaultUncaughtExceptionHandler(UncaughtExceptionHandler eh)

注意：setUncaughtExceptionHandler的优先级高用setDefaultUncaughtExceptionHandler

未捕获异常处理器的工作流程：

当线程发生异常时，会判断该线程是否通过setUncaughtExceptionHandler(UncaughtExceptionHandler eh)设置默认处理器；
如果设置了，就直接调用，否则调用ThreadGroup(ThreadGroup实现了UncaughtExceptionHandler接口)
的void uncaughtException(Thread t, Throwable e);方法。ThreadGroup中的uncaughtException的实现如下：

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public void uncaughtException(Thread t, Throwable e) {
        if (parent != null) {//判断该线程是否有父线程组
            parent.uncaughtException(t, e);
        } else {
            //在这里会判断atic void setDefaultUncaughtExceptionHandler(UncaughtExceptionHandler eh)
            //方法是否设置了默认的处理器
            Thread.UncaughtExceptionHandler ueh =
                Thread.getDefaultUncaughtExceptionHandler();
            if (ueh != null) {
                ueh.uncaughtException(t, e);
            } else if (!(e instanceof ThreadDeath)) {//如果没有设置默认处理器，则输出到控制台上
                System.err.print("Exception in thread \""
                                 + t.getName() + "\" ");
                e.printStackTrace(System.err);
            }
        }
    }

竞争条件详解

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public class Bank {

    public static final int MAX_AMOUNT = 1000;

    private static int[] account;

    public Bank(int money) {
        account = new int[10];
        Arrays.fill(account,money);
    }

    public void transfer(int from,int to,int money){
        if (money>account[from])//转账数量大于账户余额
            return;
        System.out.print(Thread.currentThread());
        account[from]-=money;
        System.out.print(from+"中的余额为 "+account[from]);
        account[to]+=money;
        System.out.print(" "+to+"中余额为 " + account[to]);
        System.out.println("  "+Thread.currentThread()+" 总余额为 "+total());
    }

    private int total(){
        int total = 0;
        for (int value:account) {
            total+=value;
        }
        return total;
    }
}

public class Main {

    static boolean isContinue = true;
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Bank bank = new Bank(100);
        for (int i = 0; i <10 ; i++) {
            int from = i;
            Runnable runnable = ()->{
                while (isContinue){
                    int toAccount = (int) (Math.random()*10);
                    int money = (int) (Math.random()*Bank.MAX_AMOUNT);
                    bank.transfer(from,toAccount,money);
                }
            };
            Thread thread = new Thread(runnable);
            thread.start();
        }
          Thread.sleep(3000);
          isContinue = false;
    }
}

运行结果为：

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....
Thread[Thread-6,5,main]6中的余额为 28 5中余额为 40  Thread[Thread-6,5,main] 总余额为 934
Thread[Thread-6,5,main]6中的余额为 23 5中余额为 45  Thread[Thread-6,5,main] 总余额为 934
Thread[Thread-6,5,main]6中的余额为 18 6中余额为 23  Thread[Thread-6,5,main] 总余额为 934
Thread[Thread-6,5,main]6中的余额为 16 2中余额为 127  Thread[Thread-6,5,main] 总余额为 934
Thread[Thread-6,5,main]6中的余额为 0 7中余额为 491  Thread[Thread-6,5,main] 总余额为 934
  Thread[Thread-7,5,main] 总余额为 995
Thread[Thread-4,5,main]4中的余额为 0 1中余额为 163  Thread[Thread-4,5,main] 总余额为 934
Thread[Thread-9,5,main]9中的余额为 42 6中余额为 39Thread[Thread-1,5,main]1中的余额为 159 1中余额为 163  Thread[Thread-1,5,main] 总余额为 934
Thread[Thread-1,5,main]1中的余额为 19 1中余额为 1632中的余额为 120 9中余额为 101Thread[Thread-5,5,main]5中的余额为 42 6中余额为 42  Thread[Thread-5,5,main] 总余额为 993
  Thread[Thread-0,5,main] 总余额为 977
8中的余额为 2 4中余额为 03中的余额为 1 8中余额为 25Thread[Thread-0,5,main]0中的余额为 6  Thread[Thread-8,5,main] 总余额为 993
...

从运行结果可知，程序出现了问题。下面详细介绍下问题的原因：

问题在于这不是原子操作，指令可能被处理如下：

  1. 将accounts[to]加载到寄存器
  2. 增加amount
  3. 将结果写回accounts[to]

现在假设第一个线程执行了步骤1和2，然后，它被剥夺了优先权。假设第2个线程被唤醒并修改了accounts数组中同一项，然后第一个线程被唤醒并完成第3步。
这样，这一动作擦去了第二个线程所做的更新，于是总金额不再正确。

锁对象

Java中提供了两种机制防止代码块受并发访问的干扰

synchronized

synchronized实现同步的基础：

  • Java中每个对象都可以作为锁。当线程试图访问同步代码时，必须先获得对象锁，退出或抛出异常时必须释放锁。
  • Synchronzied实现同步的表现形式分为：代码块同步 和 方法同步。

synchronized的使用场景

方法同步:

public synchronized void method1

(1)锁住的是该对象,类的其中一个实例，当该对象(仅仅是这一个对象)在不同线程中执行这个同步方法时，线程之间会形成互斥。达到同步效果，但如果不同线程同时对该类的不同对象执行这个同步方法时，则线程之间不会形成互斥，因为他们拥有的是不同的锁。

代码块同步:

synchronized(this){ //TODO }

描述同(1)

方法同步:

public synchronized static void method3

(2)锁住的是该类，当所有该类的对象(多个对象)在不同线程中调用这个static同步方法时，线程之间会形成互斥，达到同步效果。

代码块同步

synchronized(Test.class){ //TODO}

描述同(2)

代码块同步:

synchronized(o) {}

这里面的o可以是一个任何Object对象或数组，并不一定是它本身对象或者类，谁拥有o这个锁，谁就能够操作该块程序代码

ReentranLock

ReentranLock的使用：

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lock.lock();//获取锁对象
try{//如果使用锁，就不能使用带资源的`try`语句。
//具体方法体
}finally {
    lock.unlock();//确保释放锁
}

为Bank类加上锁：

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public class Bank {

    ...
  
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    public void transfer(int from,int to,int money){
        lock.lock();
        try{
            if (money>account[from])//转账数量大于账户余额
                return;
            System.out.print(Thread.currentThread());
            account[from]-=money;
            System.out.print(from+"中的余额为 "+account[from]);
            account[to]+=money;
            System.out.print(" "+to+"中余额为 " + account[to]);
            System.out.println("  "+Thread.currentThread()+" 总余额为 "+total());
        }finally {
            lock.unlock();
        }

    }

...

每一个Bank对象都有自己的ReentrantLock对象。如果两个线程试图访问同一个Bank对象，那么锁以串行方式提供服务。但是，如果两个线程
访问不同的Bank对象，每一个线程得到不同的锁对象，两个线程都不会发生堵塞，因为线程在操作不同的Bank实例时，线程之间不会相互影响。

ReentranLock的常用方法

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void lock(): 执行此方法时，如果锁处于空闲状态，当前线程将获取到锁。相反，如果锁已经被其他线程持有，将禁用当前线程，直到当前线程获取到锁。

boolean tryLock()： 如果锁可用，则获取锁，并立即返回true，否则返回false. 该方法和lock()的区别在于，tryLock()只是"试图"获取锁，如果锁不可用，不会导致当前线程被禁用，当前线程仍然继续往下执行代码。而lock()方法则是一定要获取到锁，如果锁不可用，就一直等待，在未获得锁之前,当前线程并不继续向下执行. 通常采用如下的代码形式调用tryLock()方法：

void unlock()： 执行此方法时，当前线程将释放持有的锁. 锁只能由持有者释放，如果线程并不持有锁，却执行该方法，可能导致异常的发生.

Condition newCondition()： 条件对象，获取等待通知组件。该组件和当前的锁绑定，当前线程只有获取了锁，才能调用该组件的await()方法，而调用后，当前线程将释放锁

条件对象

在上面对转款超过自己余额的操作是直接取消这次操作，这个符合一般的常识。但是有时候我们我们会等待别人转账过来。

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if (money>account[from])
    return;

例如：

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if (money>account[from])
    wait();

但是由于这个线程获得了锁，具有排他性，因此没有别的线程可以转账，为了解决这个问题，我们可以使用条件对象(或者叫做条件变量)

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package thread;

import java.util.Arrays;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class Bank {

    ...

    private Lock lock = new ReentrantLock();

    private Condition condition = lock.newCondition();

    public void transfer(int from,int to,int money){
        lock.lock();
        try{
            if (money>account[from])//转账数量大于账户余额
                condition.await();//让线程等待，进入阻塞状态，并放弃锁
            System.out.print(Thread.currentThread());
            account[from]-=money;
            System.out.print(from+"中的余额为 "+account[from]);
            account[to]+=money;
            System.out.print(" "+to+"中余额为 " + account[to]);
            System.out.println("  "+Thread.currentThread()+" 总余额为 "+total());
            condition.signalAll();//解除所有该条件等待线程的阻塞状态
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }

    }

   ...

注意：signalAll()方法不会立即激活一个等待线程，它仅仅解除阻塞状态，以便这些线程可以在当前线程退出同步方法后，通过
竞争实现对对象的访问。另一个方法signal()只会随机解除一个线程的阻塞状态，如果随机选择的线程仍然不能运行，就会再次阻塞，
如果没有其他线程再次调用signal()，那么系统就死锁了。

重入锁

转载线程同步问题的产生及解决方案

当一个线程得到一个对象后，再次请求该对象锁时是可以再次得到该对象的锁的。
具体概念就是：自己可以再次获取自己的内部锁。
Java里面内置锁(synchronized)和Lock(ReentrantLock)都是可重入的。

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public class SynchronizedTest {
    public void method1() {
        synchronized (SynchronizedTest.class) {
            System.out.println("方法1获得ReentrantTest的锁运行了");
            method2();
        }
    }
    public void method2() {
        synchronized (SynchronizedTest.class) {
            System.out.println("方法1里面调用的方法2重入锁,也正常运行了");
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        new SynchronizedTest().method1();
    }
}

上面便是synchronized的重入锁特性，即调用method1()方法时，已经获得了锁，此时内部调用method2()方法时，由于本身已经具有该锁，所以可以再次获取。

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public class ReentrantLockTest {
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    public void method1() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println("方法1获得ReentrantLock锁运行了");
            method2();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public void method2() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println("方法1里面调用的方法2重入ReentrantLock锁,也正常运行了");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        new ReentrantLockTest().method1();
    }
}

上面便是ReentrantLock的重入锁特性，即调用method1()方法时，已经获得了锁，此时内部调用method2()方法时， 由于本身已经具有该锁，所以可以再次获取。

公平锁

转载线程同步问题的产生及解决方案

CPU在调度线程的时候是在等待队列里随机挑选一个线程，由于这种随机性所以是无法保证线程先到先得的（synchronized控制的锁就是这种非公平锁）。

但这样就会产生饥饿现象，即有些线程（优先级较低的线程）可能永远也无法获取CPU的执行权，优先级高的线程会不断的强制它的资源。

那么如何解决饥饿问题呢，这就需要公平锁了。公平锁可以保证线程按照时间的先后顺序执行，避免饥饿现象的产生。但公平锁的效率比较低，因为要实现顺序执行，需要维护一个有序队列。

ReentrantLock便是一种公平锁，通过在构造方法中传入true就是公平锁，传入false，就是非公平锁。

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public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }
以下是使用公平锁实现的效果：
public class LockFairTest implements Runnable{
    //创建公平锁
    private static ReentrantLock lock=new ReentrantLock(true);
    public void run() {
        while(true){
            lock.lock();
            try{
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"获得锁");
            }finally{
                lock.unlock();
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        LockFairTest lft=new LockFairTest();
        Thread th1=new Thread(lft);
        Thread th2=new Thread(lft);
        th1.start();
        th2.start();
    }
}


输出结果：
Thread-1获得锁 
Thread-0获得锁 
Thread-1获得锁 
Thread-0获得锁 
Thread-1获得锁 
Thread-0获得锁 
Thread-1获得锁 
Thread-0获得锁 
Thread-1获得锁 
Thread-0获得锁 
Thread-1获得锁 
Thread-0获得锁 
Thread-1获得锁 
Thread-0获得锁 
Thread-1获得锁 
Thread-0获得锁

这是截取的部分执行结果，分析结果可看出两个线程是交替执行的，几乎不会出现同一个线程连续执行多次。

synchronized和ReentrantLock的比较

转载线程同步问题的产生及解决方案

区别：

  • Lock是一个接口，而synchronized是Java中的关键字，synchronized是内置的语言实现；
  • synchronized在发生异常时，会自动释放线程占有的锁，因此不会导致死锁现象发生；而Lock在发生异常时，如果没有主动通过unLock()去释放锁，则很可能造成死锁现象，因此使用Lock时需要在finally块中释放锁；
  • Lock可以让等待锁的线程响应中断，而synchronized却不行，使用synchronized时，等待的线程会一直等待下去，不能够响应中断；
  • 通过Lock可以知道有没有成功获取锁，而synchronized却无法办到。
  • Lock可以提高多个线程进行读操作的效率。

总结：ReentrantLock相比synchronized，增加了一些高级的功能。但也有一定缺陷。
在ReentrantLock类中定义了很多方法，比如：

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isFair()      //判断锁是否是公平锁

isLocked()    //判断锁是否被任何线程获取了

isHeldByCurrentThread()   //判断锁是否被当前线程获取了

hasQueuedThreads()   //判断是否有线程在等待该锁

两者在锁的相关概念上区别：

1)可中断锁

顾名思义，就是可以响应中断的锁。

在Java中，synchronized就不是可中断锁，而Lock是可中断锁。如果某一线程A正在执行锁中的代码，另一线程B正在等待获取该锁，可能由于等待时间过长，线程B不想等待了，想先处理其他事情，我们可以让它中断自己或者在别的线程中中断它，这种就是可中断锁。
lockInterruptibly()的用法体现了Lock的可中断性。

2)公平锁

公平锁即尽量以请求锁的顺序来获取锁。比如同是有多个线程在等待一个锁，当这个锁被释放时，等待时间最久的线程（最先请求的线程）会获得该锁（并不是绝对的，大体上是这种顺序），这种就是公平锁。
非公平锁即无法保证锁的获取是按照请求锁的顺序进行的。这样就可能导致某个或者一些线程永远获取不到锁。
在Java中，synchronized就是非公平锁，它无法保证等待的线程获取锁的顺序。ReentrantLock可以设置成公平锁。

3)读写锁

读写锁将对一个资源（比如文件）的访问分成了2个锁，一个读锁和一个写锁。
正因为有了读写锁，才使得多个线程之间的读操作可以并发进行，不需要同步，而写操作需要同步进行，提高了效率。
ReadWriteLock就是读写锁，它是一个接口，ReentrantReadWriteLock实现了这个接口。
可以通过readLock()获取读锁，通过writeLock()获取写锁。

4)绑定多个条件

一个ReentrantLock对象可以同时绑定多个Condition对象，而在synchronized中，锁对象的wait()和notify()或notifyAll()方法可以实现一个隐含的条件，如果要和多余一个条件关联的时候，就不得不额外地添加一个锁，而ReentrantLock则无须这么做，只需要多次调用new Condition()方法即可。

3.性能比较

在性能上来说，如果竞争资源不激烈，两者的性能是差不多的，而 当竞争资源非常激烈时（即有大量线程同时竞争），此时ReentrantLock的性能要远远优于synchronized 。所以说，在具体使用时要根据适当情况选择。

在JDK1.5中，synchronized是性能低效的。因为这是一个重量级操作，它对性能最大的影响是阻塞的是实现，挂起线程和恢复线程的操作都需要转入内核态中完成，这些操作给系统的并发性带来了很大的压力。相比之下使用Java提供的ReentrankLock对象，性能更高一些。

到了JDK1.6，发生了变化，对synchronize加入了很多优化措施，有自适应自旋，锁消除，锁粗化，轻量级锁，偏向锁等等。导致在JDK1.6上synchronize的性能并不比Lock差。官方也表示，他们也更支持synchronize，在未来的版本中还有优化余地，所以还是提倡在synchronized能实现需求的情况下，优先考虑使用synchronized来进行同步。

volatile关键字

转载volatile关键字

Java内存模型

想要理解volatile为什么能确保可见性，就要先理解Java中的内存模型是什么样的。

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中。每条线程中还有自己的工作内存，线程的工作内存中保存了被该线程所使用到的变量（这些变量是从主内存中拷贝而来）。线程对变量的所有操作（读取，赋值）都必须在工作内存中进行。不同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。

基于此种内存模型，便产生了多线程编程中的数据“脏读”等问题。
举个简单的例子：在java中，执行下面这个语句：

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i  = 10;

执行线程必须先在自己的工作线程中对变量i所在的缓存行进行赋值操作，然后再写入主存当中。而不是直接将数值10写入主存当中。

比如同时有2个线程执行这段代码，假如初始时i的值为10，那么我们希望两个线程执行完之后i的值变为12。但是事实会是这样吗？

可能存在下面一种情况：初始时，两个线程分别读取i的值存入各自所在的工作内存当中，然后线程1进行加1操作，然后把i的最新值11写入到内存。此时线程2的工作内存当中i的值还是10，进行加1操作之后，i的值为11，然后线程2把i的值写入内存。
最终结果i的值是11，而不是12。这就是著名的缓存一致性问题。通常称这种被多个线程访问的变量为共享变量。

那么如何确保共享变量在多线程访问时能够正确输出结果呢？

在解决这个问题之前，我们要先了解并发编程的三大概念：原子性，有序性，可见性。

原子性

1.定义

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。

2.实例

一个很经典的例子就是银行账户转账问题：

比如从账户A向账户B转1000元，那么必然包括2个操作：从账户A减去1000元，往账户B加上1000元。
试想一下，如果这2个操作不具备原子性，会造成什么样的后果。假如从账户A减去1000元之后，操作突然中止。这样就会导致账户A虽然减去了1000元，但是账户B没有收到这个转过来的1000元。
所以这2个操作必须要具备原子性才能保证不出现一些意外的问题。

同样地反映到并发编程中会出现什么结果呢？

举个最简单的例子，大家想一下假如为一个32位的变量赋值过程不具备原子性的话，会发生什么后果？

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i = 9;

假若一个线程执行到这个语句时，我暂且假设为一个32位的变量赋值包括两个过程：为低16位赋值，为高16位赋值。
那么就可能发生一种情况：当将低16位数值写入之后，突然被中断，而此时又有一个线程去读取i的值，那么读取到的就是错误的数据。

3.Java中的原子性

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。
上面一句话虽然看起来简单，但是理解起来并不是那么容易。看下面一个例子i：
请分析以下哪些操作是原子性操作：

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x = 10;        //语句1
y = x;         //语句2
x++;           //语句3
x = x + 1;     //语句4

咋一看，可能会说上面的4个语句中的操作都是原子性操作。其实只有语句1是原子性操作，其他三个语句都不是原子性操作。

  • 语句1是直接将数值10赋值给x，也就是说线程执行这个语句的会直接将数值10写入到工作内存中。
  • 语句2实际上包含2个操作，它先要去读取x的值，再将x的值写入工作内存，虽然读取x的值以及将x的值写入工作内存，这2个操作都是原子性操作，但是合起来就不是原子性操作了。
  • 同样的，x++和 x = x+1包括3个操作：读取x的值，进行加1操作，写入新的值。

所以上面4个语句只有语句1的操作具备原子性。
也就是说，只有简单的读取、赋值（而且必须是将数字赋值给某个变量，变量之间的相互赋值不是原子操作）才是原子操作。

从上面可以看出，Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作，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。

可见性

1.定义

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。

2.实例

举个简单的例子，看下面这段代码：

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//线程1执行的代码
int i = 0;
i = 10;

//线程2执行的代码
j = i;

由上面的分析可知，当线程1执行 i =10这句时，会先把i的初始值加载到工作内存中，然后赋值为10，那么在线程1的工作内存当中i的值变为10了，却没有立即写入到主存当中。
此时线程2执行 j = i，它会先去主存读取i的值并加载到线程2的工作内存当中，注意此时内存当中i的值还是0，那么就会使得j的值为0，而不是10.
这就是可见性问题，线程1对变量i修改了之后，线程2没有立即看到线程1修改的值。

Java中的可见性

对于可见性，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。
而普通的共享变量不能保证可见性，因为普通共享变量被修改之后，什么时候被写入主存是不确定的，当其他线程去读取时，此时内存中可能还是原来的旧值，因此无法保证可见性。
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。

有序性

1.定义

有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

2.实例

举个简单的例子，看下面这段代码：

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int i = 0;

boolean flag = false;

i = 1;                //语句1
flag = true;          //语句2

上面代码定义了一个int型变量，定义了一个boolean类型变量，然后分别对两个变量进行赋值操作。从代码顺序上看，语句1是在语句2前面的，那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定会在语句2前面执行吗？不一定，为什么呢？这里可能会发生指令重排序（Instruction Reorder）。

下面解释一下什么是指令重排序，一般来说，处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。

比如上面的代码中，语句1和语句2谁先执行对最终的程序结果并没有影响，那么就有可能在执行过程中，语句2先执行而语句1后执行。
但是要注意，虽然处理器会对指令进行重排序，但是它会保证程序最终结果会和代码顺序执行结果相同，那么它靠什么保证的呢？再看下面一个例子：

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int a = 10;    //语句1
int r = 2;    //语句2
a = a + 3;    //语句3
r = a*a;     //语句4

这段代码有4个语句，那么可能的一个执行顺序是： 　　 　　 那么可不可能是这个执行顺序呢： 语句2 语句1 语句4 语句3
不可能，因为处理器在进行重排序时是会考虑指令之间的数据依赖性，如果一个指令Instruction 2必须用到Instruction 1的结果，那么处理器会保证Instruction 1会在Instruction 2之前执行。
虽然重排序不会影响单个线程内程序执行的结果，但是多线程呢？下面看一个例子：

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//线程1:

context = loadContext();   //语句1
inited = true;             //语句2

 //线程2:
while(!inited ){
   sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

上面代码中，由于语句1和语句2没有数据依赖性，因此可能会被重排序。假如发生了重排序，在线程1执行过程中先执行语句2，而此是线程2会以为初始化工作已经完成，那么就会跳出while循环，去执行doSomethingwithconfig(context)方法，而此时context并没有被初始化，就会导致程序出错。

从上面可以看出，指令重排序不会影响单个线程的执行，但是会影响到线程并发执行的正确性。
也就是说，要想并发程序正确地执行，必须要保证原子性、可见性以及有序性。只要有一个没有被保证，就有可能会导致程序运行不正确。

Java中的有序性

在Java内存模型中，允许编译器和处理器对指令进行重排序，但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。
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。

另外，Java内存模型具备一些先天的“有序性”，即不需要通过任何手段就能够得到保证的有序性，这个通常也称为 happens-before 原则。如果两个操作的执行次序无法从happens-before原则推导出来，那么它们就不能保证它们的有序性，虚拟机可以随意地对它们进行重排序。

下面就来具体介绍下happens-before原则（先行发生原则）：

  • 程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作
  • 锁定规则：一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作
  • volatile变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作
  • 传递规则：如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生于操作C
  • 线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个一个动作
  • 线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生
  • 线程终结规则：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行
  • 对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始

这8条规则中，前4条规则是比较重要的，后4条规则都是显而易见的。

下面我们来解释一下前4条规则：

对于程序次序规则来说，就是一段程序代码的执行在单个线程中看起来是有序的。注意，虽然这条规则中提到“书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作”，这个应该是程序看起来执行的顺序是按照代码顺序执行的，但是虚拟机可能会对程序代码进行指令重排序。虽然进行重排序，但是最终执行的结果是与程序顺序执行的结果一致的，它只会对不存在数据依赖性的指令进行重排序。因此，在单个线程中，程序执行看起来是有序执行的，这一点要注意理解。事实上，这个规则是用来保证程序在单线程中执行结果的正确性，但无法保证程序在多线程中执行的正确性。
第二条规则也比较容易理解，也就是说无论在单线程中还是多线程中，同一个锁如果处于被锁定的状态，那么必须先对锁进行了释放操作，后面才能继续进行lock操作。
第三条规则是一条比较重要的规则。直观地解释就是，如果一个线程先去写一个变量，然后一个线程去进行读取，那么写入操作肯定会先行发生于读操作。
第四条规则实际上就是体现happens-before原则具备传递性。

深入理解volatile关键字

volatile保证可见性

一旦一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被volatile修饰之后，那么就具备了两层语义：

  1. 保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。
  2. 禁止进行指令重排序。

先看一段代码，假如线程1先执行，线程2后执行：

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//线程1
boolean stop = false;
while(!stop){
    doSomething();
}

//线程2
stop = true;

这段代码是很典型的一段代码，很多人在中断线程时可能都会采用这种标记办法。但是事实上，这段代码会完全运行正确么？即一定会将线程中断么？不一定，也许在大多数时候，这个代码能够把线程中断，但是也有可能会导致无法中断线程（虽然这个可能性很小，但是只要一旦发生这种情况就会造成死循环了）。

下面解释一下这段代码为何有可能导致无法中断线程。在前面已经解释过，每个线程在运行过程中都有自己的工作内存，那么线程1在运行的时候，会将stop变量的值拷贝一份放在自己的工作内存当中。
那么当线程2更改了stop变量的值之后，但是还没来得及写入主存当中，线程2转去做其他事情了，那么线程1由于不知道线程2对stop变量的更改，因此还会一直循环下去。

但是用volatile修饰之后就变得不一样了：

第一：使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存；

第二：使用volatile关键字的话，当线程2进行修改时，会导致线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效（反映到硬件层的话，就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效

第三：由于线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效，所以线程1再次读取变量stop的值时会去主存读取。

那么在线程2修改stop值时（当然这里包括2个操作，修改线程2工作内存中的值，然后将修改后的值写入内存），会使得线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效，然后线程1读取时，发现自己的缓存行无效，它会等待缓存行对应的主存地址被更新之后，然后去对应的主存读取最新的值。
那么线程1读取到的就是最新的正确的值。

volatile不能确保原子性

下面看一个例子：

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public class Nothing {

    private volatile int inc = 0;
    private volatile static int count = 10;

    private void increase() {
        ++inc;
    }

    public static void main(String[] args) {
        int loop = 10;
        Nothing nothing = new Nothing();
        while (loop-- > 0) {
            nothing.operation();
        }
    }

    private void operation() {
        final Nothing test = new Nothing();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000000; j++) {
                    test.increase();
                }
                --count;
            }).start();
        }

        // 保证前面的线程都执行完
        while (count > 0) {

        }
        System.out.println("最后的数据为：" + test.inc);
    }

}
运行结果为：
最后的数据为：5919956
最后的数据为：3637231
最后的数据为：2144549
最后的数据为：2403538
最后的数据为：1762639
最后的数据为：2878721
最后的数据为：2658645
最后的数据为：2534078
最后的数据为：2031751
最后的数据为：2924506

大家想一下这段程序的输出结果是多少？也许有些朋友认为是1000000。但是事实上运行它会发现每次运行结果都不一致，都是一个小于1000000的数字。
可能有的朋友就会有疑问，不对啊，上面是对变量inc进行自增操作，由于volatile保证了可见性，那么在每个线程中对inc自增完之后，在其他线程中都能看到修改后的值啊，所以有10个线程分别进行了1000000次操作，那么最终inc的值应该是1000000*10=10000000。

这里面就有一个误区了，volatile关键字能保证可见性没有错，但是上面的程序错在没能保证原子性。 可见性只能保证每次读取的是最新的值，但是volatile没办法保证对变量的操作的原子性。
在前面已经提到过，自增操作是不具备原子性的，它包括读取变量的原始值、进行加1操作、写入工作内存。那么就是说自增操作的三个子操作可能会分割开执行，就有可能导致下面这种情况出现：
假如某个时刻变量inc的值为10，线程1对变量进行自增操作，线程1先读取了变量inc的原始值，然后线程1被阻塞了；

然后线程2对变量进行自增操作，线程2也去读取变量inc的原始值，由于线程1只是对变量inc进行读取操作，而没有对变量进行修改操作，所以不会导致线程2的工作内存中缓存变量inc的缓存行无效，也不会导致主存中的值刷新， 所以线程2会直接去主存读取inc的值，发现inc的值时10，然后进行加1操作，并把11写入工作内存，最后写入主存。

然后线程1接着进行加1操作，由于已经读取了inc的值，注意此时在线程1的工作内存中inc的值仍然为10，所以线程1对inc进行加1操作后inc的值为11，然后将11写入工作内存，最后写入主存。
那么两个线程分别进行了一次自增操作后，inc只增加了1。

根源就在这里，自增操作不是原子性操作，而且volatile也无法保证对变量的任何操作都是原子性的。

解决方案：可以通过synchronized或lock，进行加锁，来保证操作的原子性。也可以通过AtomicInteger。

在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作类，即对基本数据类型的 自增（加1操作），自减（减1操作）、以及加法操作（加一个数），减法操作（减一个数）进行了封装，保证这些操作是原子性操作。atomic是利用CAS来实现原子性操作的（Compare And Swap），CAS实际上是利用处理器提供的CMPXCHG指令实现的，而处理器执行CMPXCHG指令是一个原子性操作。

volatile保证有序性

在前面提到volatile关键字能禁止指令重排序，所以volatile能在一定程度上保证有序性。

volatile关键字禁止指令重排序有两层意思：

  1. 当程序执行到volatile变量的读操作或者写操作时，在其前面的操作的更改肯定全部已经进行，且结果已经对后面的操作可见；在其后面的操作肯定还没有进行；
  2. 在进行指令优化时，不能将在对volatile变量的读操作或者写操作的语句放在其后面执行，也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执行。

可能上面说的比较绕，举个简单的例子：

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// x、y为非volatile变量
// flag为volatile变量

x = 2;        //语句1
y = 0;        //语句2
flag = true;  //语句3
x = 4;        //语句4
y = -1;       //语句5

由于flag变量为volatile变量，那么在进行指令重排序的过程的时候，不会将语句3放到语句1、语句2前面，也不会讲语句3放到语句4、语句5后面。但是要注意语句1和语句2的顺序、语句4和语句5的顺序是不作任何保证的。

并且volatile关键字能保证，执行到语句3时，语句1和语句2必定是执行完毕了的，且语句1和语句2的执行结果对语句3、语句4、语句5是可见的。
那么我们回到前面举的一个例子：

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//线程1:
context = loadContext();   //语句1
inited = true;             //语句2

//线程2:
while(!inited ){
  sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

前面举这个例子的时候，提到有可能语句2会在语句1之前执行，那么久可能导致context还没被初始化，而线程2中就使用未初始化的context去进行操作，导致程序出错。
这里如果用volatile关键字对inited变量进行修饰，就不会出现这种问题了，因为当执行到语句2时，必定能保证context已经初始化完毕。

volatile的实现原理

可见性

处理器为了提高处理速度，不直接和内存进行通讯，而是将系统内存的数据独到内部缓存后再进行操作，但操作完后不知什么时候会写到内存。
如果对声明了volatile变量进行写操作时，JVM会向处理器发送一条Lock前缀的指令，将这个变量所在缓存行的数据写会到系统内存。 这一步确保了如果有其他线程对声明了volatile变量进行修改，则立即更新主内存中数据。

但这时候其他处理器的缓存还是旧的，所以在多处理器环境下，为了保证各个处理器缓存一致，每个处理会通过嗅探在总线上传播的数据来检查 自己的缓存是否过期， 当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改了，就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态，当处理器要对这个数据进行修改操作时，会强制重新从系统内存把数据读到处理器缓存里。 这一步确保了其他线程获得的声明了volatile变量都是从主内存中获取最新的。

有序性

Lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成。

volatile的应用场景

synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码，那么就会很影响程序执行效率，而volatile关键字在某些情况下性能要优于synchronized，但是要注意volatile关键字是无法替代synchronized关键字的，因为volatile关键字无法保证操作的原子性。通常来说，使用volatile必须具备以下2个条件：

  1. 对变量的写操作不依赖于当前值
  2. 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

下面列举几个Java中使用volatile的几个场景。

①.状态标记量

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volatile boolean flag = false;
 //线程1
while(!flag){
    doSomething();
}
  //线程2
public void setFlag() {
    flag = true;
}

根据状态标记，终止线程。

②.单例模式中的double check

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class Singleton {
    private volatile static Singleton instance = null;

    private Singleton() {

    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null)
                    instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

为什么要使用volatile 修饰instance？

主要在于instance = new Singleton()这句，这并非是一个原子操作，事实上在 JVM 中这句话大概做了下面 3 件事情:

  1. 给 instance 分配内存
  2. 调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量
  3. 将instance对象指向分配的内存空间（执行完这步 instance 就为非 null 了）。

但是在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者，则在 3 执行完毕、2 未执行之前，被线程二抢占了，这时 instance 已经是非 null 了（但却没有初始化），所以线程二会直接返回 instance，然后使用，然后顺理成章地报错。

ThreadLocal

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public class RunnableTest implements Runnable {
   private static final ThreadLocal<Integer> value = new ThreadLocal<>();

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            value.set(i);
            System.out.println(Thread.currentThread()+"  value = "+value.get());
        }
    }
}

 public static void main(String[] args) throws Exception {
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            Runnable r = new RunnableTest();
            Thread t = new Thread(r);
            t.setName("thread"+i);
            t.start();
        }
    }

运行结果：

Thread[thread0,5,main]  value = 0
Thread[thread1,5,main]  value = 0
Thread[thread1,5,main]  value = 1
Thread[thread1,5,main]  value = 2
Thread[thread0,5,main]  value = 1
Thread[thread0,5,main]  value = 2

如上的结果可知，调用ThreadLocal的get方法只返回属于当前线程的那个实例。

ThreadLocal的方法介绍

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T get() 得到这个线程的当前值，如果首次调用(之前没有set),会调用initialize这个来得到这个值

protected initialize() 应该覆盖这个方法来提供一个初始值，默认情况下，这个方法返回null

void set(T t) 为这个线程设置一个新值

void remove() 删除对应这个线程的值

static <S> ThreadLocal<S> withInitial(Supplier<? extends S> supp) 创建一个线程局部变量，其初始值通过Supplier生成

还有一个ThreadLocalRandom的current()的产生当前线程的Random类的快捷方法。