内存模型的相关概念

大家都知道，计算机在执行程序时，每条指令都是在CPU中执行的，而执行指令过程中，势必涉及到数据的读取和写入。由于程序运行过程中的临时数据是存放在主存（物理内存）当中的，这时就存在一个问题，由于CPU执行速度很快，而从内存读取数据和向内存写入数据的过程跟CPU执行指令的速度比起来要慢的多，因此如果任何时候对数据的操作都要通过和内存的交互来进行，会大大降低指令执行的速度。因此在CPU里面就有了高速缓存。

也就是，当程序在运行过程中，会将运算需要的数据从主存复制一份到CPU的高速缓存当中，那么CPU进行计算时就可以直接从它的高速缓存读取数据和向其中写入数据，当运算结束之后，再将高速缓存中的数据刷新到主存当中。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。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（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）。本文我们以多核CPU为例。

比如同时有2个线程执行这段代码，假如初始时i的值为0，那么我们希望两个线程执行完之后i的值变为2。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CPU的高速缓存当中，然后线程1进行加1操作，然后把i的最新值1写入到内存。此时线程2的高速缓存当中i的值还是0，进行加1操作之后，i的值为1，然后线程2把i的值写入内存。

最终结果i的值是1，而不是2。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。

也就是说，如果一个变量在多个CPU中都存在缓存（一般在多线程编程时才会出现），那么就可能存在缓存不一致的问题。

为了解决缓存不一致性问题，通常来说有以下2种解决方法：

• 1）通过在总线加LOCK#锁的方式
• 2）通过缓存一致性协议

这2种方式都是硬件层面上提供的方式。

在早期的CPU当中，是通过在总线上加LOCK#锁的形式来解决缓存不一致的问题。因为CPU和其他部件进行通信都是通过总线来进行的，如果对总线加LOCK#锁的话，也就是说阻塞了其他CPU对其他部件访问（如内存），从而使得只能有一个CPU能使用这个变量的内存。比如上面例子中如果一个线程在执行 i = i +1，如果在执行这段代码的过程中，在总线上发出了LCOK#锁的信号，那么只有等待这段代码完全执行完毕之后，其他CPU才能从变量i所在的内存读取变量，然后进行相应的操作。这样就解决了缓存不一致的问题。

但是上面的方式会有一个问题，由于在锁住总线期间，其他CPU无法访问内存，导致效率低下。

所以就出现了缓存一致性协议。最出名的就是Intel 的MESI协议，MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。它核心的思想是：当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态，因此当其他CPU需要读取这个变量时，发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的，那么它就会从内存重新读取。

一、原子性(Atomicity)

定义：即一个操作或者多个操作，要么全部执行并且不被打断，要么就都不执行。

关键字：synchronized

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。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。 再比如：i = i+1；其中就包括，读取i的值，计算i，写入i。这行代码在java中是不具备原子性的，如果 多线程运行肯定会出问题。·

综上可知，对变量的写操作不依赖于当前值才是原子级别的，在多线程环境中才可以不用考虑多并发问题。比如：n=n+1、n++ 就不行。n=m+1才是原子级别的，实在没把握就使用synchronized关键字来代替volatile关键字。

二、可见性(Visibility)

定义：当一个线程修改了共享变量的值，其他线程会马上知道这个修改。当其他线程要读取这个变量的时候，最终会去内存中读取，而不是从缓存中读取。

关键字：volatile、synchronized、final

三、有序性(Ordering)

定义：虚拟机在进行代码编译时，对于那些改变顺序之后不会对最终结果造成影响的代码，虚拟机不一定会按照我们写的代码的顺序来执行，有可能将他们重排序。实际上，对于有些代码进行重排序之后，虽然对变量的值没有造成影响，但有可能会出现线程安全问题。

关键字：volatile、synchronized

volatile本身就包含了禁止指令重排序的语义，而synchronized关键字是由“一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作”这条规则明确的。

以上就是Android并发内存模型中的三个概念（原子性、可见性和有序性），Android进阶参考电子书籍《Android核心进阶手册》。需要学习其他Android技术可以免费获取后翻阅学习。

小结：

• synchronized关键字同时满足以上三种特性，但是volatile关键字不满足原子性。
• 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)，因为volatile的总开销要比锁低。
• 我们判断使用volatile还是加锁的唯一依据就是volatile的语义能否满足使用的场景(原子性)