1. 硬件的效率與一致性

數據不安全的原因：緩存一致性的問題

共享內存多核系統：在多路處理器系統中，每個處理器都有自己的高速緩存，而他們又共享同一主內存。

線程先后執行結果不一致問題：除了增加高速緩存之外，為了使處理器內部的運算單元能盡量被充分利用，處理器可能會對輸入代碼進行亂序執行(Out-Of-Order Execution)優化，處理器會在計算之后將亂序執行的結果重組，保證該結果與順序執行的結果是一致的，但并不保證程序中各個語句計算的先后順序與輸入代碼中的順序一致，因此如果存在一個計算任務依賴另外一個計算任務的中間結果，那么其順序性并不能靠代碼的先后順序來保證。與處理器的亂序執行優化類似，Java虛擬機的即時編譯器中也有指令重排序( Instruction Reorder)優化。

2. Java內存模型

JDK5之后Java內存模型逐漸完善起來。

2.1. 主內存與工作內存

Java內存模型目的：定義程序中各種變量的訪問規則，即關注在虛擬機中把變量(Java中的實例字段、靜態字段、構成數組的對象元素)值存儲到內存和從內存中取出變量(Java中的實例字段、靜態字段、構成數組的對象元素)值這樣的底層細節。

規定：

1. Java內存模型規定所有變量都存儲在主內存中。

2. 線程工作內存中保存了被該線程使用的變量的主內存副本(復制的是引用)。

3. 線程對變量的所有操作都必須在工作內存中進行，而不能直接讀寫主內存中的數據。

4. 不同的線程之間也無法直接訪問對方工作內存中的變量。

Java內存與Java內存區域對應的關系：主內存對應于Java堆中的對象實例數據部分，工作內存對應于虛擬機棧中的部分區域。

2.2. 內存間交互操作

一個變量如何從主內存拷貝到工作內存、如何從工作內存同步回主內存這一類的實現細節。

注：Java虛擬機實現時必須保證下面提及的每一種操作都是原子的、不可再分的。

關于上面過程Java內存模型定義了以下8種操作：

• lock(鎖定)：作用于主內存的變量，他把一個變量標識為一條線程獨占的狀態。

• unlock(解鎖)：作用于主內存的變量，它把一個處于鎖定狀態的變量釋放出來，釋放后的變量才可以被其他線程鎖定。

• read (讀取) :作用于主內存的變量，它把一個變量的值從主內存傳輸到線程的工作內存中，以便隨后的load動作使用。

• load (載入) :作用于工作內存的變量，它把read操作從主內存中得到的變量值放入工作內存的變量副本中。

• use(使用)：作用于工作內存的變量，它把工作內存中一個變量的值傳遞給執行引擎，每當虛擬機遇到一個需要使用變量的值的字節碼指令時將會執行這個操作。

• assign (賦值)：作用于工作內存的變量，它把一個從執行引擎接收的值賦給工作內存的變量,每當虛擬機遇到一個給變量賦值的字節碼指令時執行這個操作。

• store (存儲) :作用于工作內存的變量，它把工作內存中一個變量的值傳送到主內存中，以便隨后的write操作使用。

• write(寫入)：作用于主內存的變量，它把store操作從工作內存中得到的變量的值放入主內存的變量中。

Java內存要求read和load或store和write必須按順序執行。

同時Java內存規定在執行上述8種基本操作時必須滿足以下規則：

• 不允許read和load、store和write操作之 一單獨出現，即不允許一個變量從主內存讀取了但工作內存不接受，或者工作內存發起回寫了但主內存不接受的情況出現。

• 不允許一個線程丟棄它最近的assign操作，即變量在工作內存中改變了之后必須把該變化同步回主內存。

• 不允許一個線程無原因地(沒有發生過任何assign操作)把數據從線程的工作內存同步回主內存中。

• 一個新的變量只能在主內存中“誕生”，不允許在工作內存中直接使用一個未被初始化(load或assign)的變量，換句話說就是對一個變量實施use、store操作之前，必須先執行assign和load操作。

• 一個變量在同一時刻只允許一條線程對其進行lock操作，但lock操作可以被同一條線程重復執行多次，多次執行lock后，只有執行相同次數unlock操作，變量才會被解鎖。

• 如果對一個變量執行lock操作，那將會清空工作內存中此變量的值，在執行引擎使用這個變量前，需要重新執行load或assign操 作以初始化變量的值。

• 如果一個變量事先沒有被lock操作鎖定，那就不允許對它執行unlock操作，也不允許去unlock一個被其他線程鎖定的變量。

• 對一個變量執行unlock操作之前，必須先把此變量同步回主內存中(執行store、write操作)

基于以上規定，再加上volatile的一些特殊規定，就能準確地描述Java程序中哪些內存訪問操作是安全的

2.3. 對于volatile型變量的特殊規則

關鍵字volatile可以說是Java虛擬機提供的最輕量級別的同步機制。

2.4. 針對long和double型變量的特殊規則

Long和Double的非原子性協定：允許虛擬機將沒有被volatile修飾的64位數據的讀寫操作劃分為兩次32位的操作來進行，即允許虛擬機實現自行選擇是否要保證64位數據類型的load、store、 read和write這四個操作的原子性。

32位虛擬機確實會產生long、double的非原子性訪問的風險。

在實際開發中，除非該數據有明確可知的線程競爭，否則我們在編寫代碼時一般不需要因為這個原因刻意把用到long和double變量專門聲明為volatile。