举个简单的例子，比如下面的这段代码：
i = i + 1;
- 当线程执行这个语句时，会先从主存当中读取i的值，然后复制一份到高速缓存当中，然后CPU执行指令对i进行加1操作，然后将数据写入高速缓存，最后将高速缓存中i最新的值刷新到主存当中。
- 这个代码在单线程中运行是没有任何问题的，但是在 多线程中运行就会有问题了（ 存在临界区）。在多核CPU中，每条线程可能运行于不同的CPU中，因此每个线程运行时有自己的高速缓存区（对单核CPU来说，其实也会出现这种问题，只不过是以线程调度的形式来分别执行的）。
比如有两个线程像下列执行顺序：
类似上面这种情况即为 缓存一致性问题。 读写场景、 双写场景都会存在缓存一致性问题，但 读读不会。前提是需要在多线程运行的环境下，并且需要多线程去访问同一个共享变量。
这里的共享又可以回到上文中，即为上面所说，他们每个线程都有自己的高速缓存区，但是都是从同一个主存同步获取变量。
那么这种问题应该怎样解决呢？
问题： 线程为什么会不安全？
答：共享资源不能及时同步更新，归根于 分时系统 上下文切换时 指令还未执行完毕 (没有写回结果) 更新异常
众所周知现在的互联网大型项目，都是采用分布式架构同时具有其 “三高症状”， 高并发、高可用、高性能。高并发为其中最重要的特性之一，在高并发场景下并发编程就显得尤为重要，其并发编程的特性为 原子性、可见性、有序性。
原子性指的是一个或多个操作要么全部执行成功要么全部执行失败，期间不能被中断，也不存在上下文切换，线程切换会带来原子性的问题。
- 变量赋值问题：
- b 变量赋值的底层字节码指令被分为两步：第一步先定义 int b；第二步再赋值为 10。
- 两条指令之间不具有原子性，且在多线程下会发生线程安全性问题
int b = 10;
可见性指的是当前线程对共享变量的修改对其他线程来说是可见的。以下案例中假设不会出现多线程原子性问题（比如多个线程写入覆盖问题等），即保证一次变量操作底层执行指令为原子性的。
例如上述变量在读写场景下，不能保证其可见性，导致写线程完成修改指令时但为同步到主存中，读线程并不能获得最新值。这就是对于B线程来说没有满足可见性。
- 案例解析： final关键字
- final 变量可以保证其他线程获取的该变量的值是唯一的。变量指成员变量或者静态变量
- b 变量赋值的底层字节码指令被分为两步：第一步先定义 int b；第二步再赋值为 10
final a = 10; int b = 10;
- final修饰的变量在其指令后自动加入了写屏障，可以保证其变量的可见性
- a 可以保证其他线程获取的值唯一；b 不能保证其他线程获取到的值一定是 10，有可能为 0。
- 读取 final 变量解析 ：
- 不加 final 读取变量时去堆内存寻找，final 变量是在栈空间，读取速度快
- 读取 final 变量时，直接将其在栈中的值复制一份，不用去 getstatic ，性能得到提升
- 注意：不是所有被 final 修饰的变量都在栈中。当数值超过变量类型的 MAX_VALUE 时，将其值存入常量池中
- 读取变量的速度：栈 > 常量池 > 堆内存
- final 可以加强线程安全，而且符合面向对象编程开闭原则中的close，例如子类不可继承、方法不可重写、初始化后不可改变、非法访问（如修饰参数时，该参数为只读模式）等
有序性指的是程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。
在Java中有序性问题会时常出现，由于我们的JVM在底层会对代码指令的执行顺序进行优化（提升执行速度且保证结果），这只能保证单线程下安全，不能保证多线程环境线程安全，会导致指令重排发生有序性问题。
案例： 排名世界第一的代码被玩坏了的单例模式
DCL（double checked）：加入 volatile 保证线程安全，其实就是保证有序性。
上代码：其中包括了三个问题并且有详细注释解释。（鸣谢itheima满一航老师）
final class SingletonLazyVolatile {
private SingletonLazyVolatile() { }
// 问题1：为什么加入 volatile 关键字？
// 答： 防止指令重排序 造成返回对象不完整。 如 TODO
private static volatile SingletonLazyVolatile INSTANCE = null;
// 问题2：对比实现3（给静态代码块加synchronized） 说出这样做的意义？
// 答：没有锁进行判断、效率较高
public static SingletonLazyVolatile getInstance() {
if (INSTANCE != null) {
return INSTANCE;
}
// 问题3：为什么要在这里加空判断，之前不是判断过了吗？
// 答：假入t1 先进入判断空成立，先拿到锁， 然后到实例化对象这一步（未执行）
// 同时 线程 t2 获取锁进入阻塞状态，若 t1 完成创建对象后，t2 没有在同步块这进行判空，t2 会再新创建一个对象，
// 导致 t1 的对象被覆盖 造成线程不安全。
synchronized (SingletonLazyVolatile.class) { // t1
if (INSTANCE != null) {
return INSTANCE;
}
INSTANCE = new SingletonLazyVolatile(); // t1 这行代码会发生指令重排序，需要加入 volatile
// 如：先赋值指令INSTANCE = new SingletonLazyVolatile，导致实例不为空，下一个线程会判空失败直接返回该对象
// 但是构造方法()指令还没执行，返回的就是一个不完整的对象。
return INSTANCE;
}
}
}
通过对并发编程的三要素介绍，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。
补充volatile知识：
volatile只保证可见性（多线程下对变量的修改是可见的）、有序性（禁止进行指令重排序）- volatile 的底层实现原理是 内存屏障（内存栅栏），Memory Barrier（Memory Fence），内存屏障会提供3个功能：
- 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
- 它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存
- 如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效
volatile修饰之后的变量会加入 读写屏障- 写屏障（sfence）：保证在该屏障之前的，对共享变量的改动，都同步到主存当中
- 读屏障（lfence）：保证在该屏障之后的， 对共享变量的读取，加载的是主存中的最新数据
- 对 volatile 变量的 写指令后会加入写屏障
- 对 volatile 变量的 读指令前会加入读屏障
关于 volatile的用途像两阶段终止、单例双重锁等等：
两阶段终止–volatile
@Log
public class TwoPhaseStop {
// 监控线程
private Thread monitorThread;
// 多线程共享变量 单线程写入（停止线程） 多线程读取 使用 volatile
private volatile boolean stop = false;
// 启动监控线程
public void start() {
monitorThread = new Thread(() -> {
log.info("开始监控");
while (true) {
log.info("监控中");
Thread currentThread = Thread.currentThread();
if (stop) {
log.info("正在停止");
break;
}
try {
log.info("正常运行");
Thread.sleep(5000);
} catch (InterruptedException e) {
// sleep出现被打断异常后、被打断后会清除打断标记
// 需要重新打断标记
currentThread.interrupt();
}
}
log.info("已停止");
},"monitor");
monitorThread.start();
}
// 停止监控线程
public void stop() {
stop = true;
monitorThread.interrupt();
}
}
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下篇预告：synchronized 和 volatile 区别和底层原理
Original: https://www.cnblogs.com/malongfeistudy/p/16750965.html
Author: lam要努力
Title: 从硬件缓存入门到并发编程三要素详解 Java中 volatile 、final 等关键字解析、单例模式案例
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