面试官：你对多线程熟悉吗，谈谈线程安全中的原子性，有序性和可见性？

Posted 2021-04-21 Java知音

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注，本篇只是解析基本概念，用作面试应答，非深入

对于Java并发编程，一般来说有以下的关注点：

1. 线程安全性，正确性。

2. 线程的活跃性(死锁，活锁)

3. 性能

其中线程的安全性问题是首要解决的问题，线程不安全，运行出来的结果和预期不一致，那就连基本要求都没达到了。

保证线程的安全性问题，本质上就是保证线程同步，实际上就是线程之间的通信问题。我们知道，在操作系统中线程通信有以下几种方式：

1. 信号量

2. 信号

3. 管道

4. 共享内存

5. 消息队列

6. socket

java中线程通信主要使用共享内存的方式。共享内存的通信方式首先要关注的就是可见性和有序性。而原子性操作一般都是必要的，所以主要关注这三个问题。

1.原子性

原子性是指操作是不可分的。其表现在于对于共享变量的某些操作，应该是不可分的，必须连续完成。例如a++，对于共享变量a的操作，实际上会执行三个步骤：

1. 读取变量a的值

2. a的值+1

3. 将值赋予变量a 。

这三个操作中任何一个操作过程中，a的值被人篡改，那么都会出现我们不希望出现的结果。所以我们必须保证这是原子性的。Java中的锁的机制解决了原子性的问题。

2.可见性

可见性是值一个线程对共享变量的修改，对于另一个线程来说是否是可以看到的。

为什么会出现这种问题呢？

我们知道，java线程通信是通过共享内存的方式进行通信的，而我们又知道，为了加快执行的速度，线程一般是不会直接操作内存的，而是操作缓存。

java线程内存模型：

实际上，线程操作的是自己的工作内存，而不会直接操作主内存。如果线程对变量的操作没有刷写会主内存的话，仅仅改变了自己的工作内存的变量的副本，那么对于其他线程来说是不可见的。而如果另一个变量没有读取主内存中的新的值，而是使用旧的值的话，同样的也可以列为不可见。

对于jvm来说，主内存是所有线程共享的java堆，而工作内存中的共享变量的副本是从主内存拷贝过去的，是线程私有的局部变量，位于java栈中。

那么我们怎么知道什么时候工作内存的变量会刷写到主内存当中呢？

这就涉及到java的happens-before关系了。

在JMM中，如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见，那么这两个操作之间必须存在happens-before关系。

这个人的博客写的不错：http://ifeve.com/easy-happens-before/。

简单来说，只要满足了happens-before关系，那么他们就是可见的。

例如：

线程A中执行i=1，线程B中执行j=i。如果线程A的操作和线程B的操作满足happens-before关系，那么j就一定等于1，否则j的值就是不确定的。

happens-before关系如下：

1. 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；

2. 锁定规则：一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁额lock操作；

3. 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；

4. 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；

5. 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；

6. 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；

7. 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；

8. 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；

从上面的happens-before规则，显然，一般只需要使用volatile关键字，或者使用锁的机制，就能实现内存的可见性了。

3.有序性

有序性是指程序在执行的时候，程序的代码执行顺序和语句的顺序是一致的。

为什么会出现不一致的情况呢？

这是由于重排序的缘故。

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。

举个例子：

线程A:

context = loadContext();    
inited = true;    

线程B:

while(!inited ){
 sleep
}
doSomethingwithconfig(context);

如果线程A发生了重排序：

inited = true;    
context = loadContext(); 

那么线程B就会拿到一个未初始化的content去配置，从而引起错误。

因为这个重排序对于线程A来说是不会影响线程A的正确性的，而如果loadContext()方法被阻塞了，为了增加Cpu的利用率，这个重排序是可能的。

如果要防止重排序，需要使用volatile关键字，volatile关键字可以保证变量的操作是不会被重排序的。

END

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