JVM - 线程安全和锁

当多个线程同时访问一个共享的、可变的资源(如变量、对象、文件等)时，无论操作系统如何调用这些线程，也不论线程间的执行顺序如何交织，程序都能表现出正确的行为，并且不需要额外的同步或协调操作，那就称这个资源是线程安全的。

线程不安全的根源

在开始之前我们先了解一下硬件上的一些处理。

CPU缓存

CPU缓存的出现是为了CPU极致运算速度与主内存相对缓慢速度之间的巨大性能差距，被称为冯·诺伊曼瓶颈。现代CPU通常采用三层缓存结构：

L1缓存：最靠近CPU核心，集成在CPU核心内部，速度最快，访问延迟通常只有1~3个CPU时钟周期；容量是三级缓存里最小的；核心直接使用的数据和指令都来自这里，尽可能快的满足核心的要求。

L2缓存：同样位于CPU核心内部或非常接近核心，速度比L1缓存慢，访问延迟约10~20个时钟周期；作为L1缓存的后备仓库，当L1缓存未命中时，CPU会到L2缓存中查找数据，查找到数据，就将数据返回L1缓存；容量要比L1要大。

L3缓存：由一个CPU插槽上所有核心共享，速度最慢，访问延迟约20~50个时钟周期；但是容量最大；作为所有核心的共享缓冲池，当不同核心需要访问相同数据时，可以从L3快速获取，避免直接访问慢速的主内存，取到数据后将数据返回L2；如果L3中也没有相关数据，才需要访问最慢的主内存。同时也是维护缓存一致性协议(如MESI协议)的关键层面，核心之间通过L3来同步数据的修改。

局部性原理

缓存行：通过一次性加载一个数据块，而不是单个数据项，可以大幅减少访问内存的次数。缓存行的出现是基于时间局部性和空间局部性原理引入的。

时间局部性：如果一个数据被访问，那么它很可能在不久的将来再次被访问。因此尽量重用已经访问过的数据，让它快速留在L1/L2缓存中。

空间局部性：如果一个内存位置被访问，那么它附近的内存位置也可能很快被访问。因此尽量顺序访问数据，充分利用缓存行的预取机制。

缓存一致性

由于每个CPU都有自己的私有缓存，这就导致一个问题：同一个内存地址的数据，可能在多个核心的缓存中都存在副本，如果一个核心修改了自己缓存中的副本，其他核心如何能知道这个数据已“过期”？

缓存一致性协议就是用来解决这个问题的硬件机制，最著名的就是MESI，定义了缓存行的四种状态：

状态	全称	含义	当前核心可否写入？	其他核心是否有副本？	缓存行数据是否最新？
M	Modified (修改)	“脏”数据。缓存行已被修改，与主内存中的数据不一致。这是唯一的有效副本。	可以	否 (独占)	是 (但内存中不是)
E	Exclusive (独占)	“干净”数据。缓存行与主内存一致，且只有当前核心有该副本。	可以 (写入后变为 M)	否	是
S	Shared (共享)	“干净”数据。缓存行与主内存一致，但可能有多个核心有该副本。	不可以	是	是
I	Invalid (无效)	缓存行中的数据是过时、无效的，不能使用。	不可以	- (无意义)	否

当一个核心A读取数据时，如果发现不在自己的缓存中，就在总线上发出“读”请求，如果其他核心都没有这个数据的副本，内存直接提供数据，此核心将缓存行的状态设为E；如果其他核心有这个数据的副本，这些核心会做响应，同时将自己缓存行的状态改为或者保持为S，核心A将自己缓存行状态也设为S。

当核心A要写数据时，判断自己缓存行状态为E时，就直接写入数