线程安全的三大特性（原子性可见性有序性）volatile关键字

Posted 2021-12-04 小小本科生debug

线程安全的三大特性、volatile关键字

• 一：线程安全的三大特性
• • 1、原子性
  • 2、可见性
  • 3、有序性
• 二：volatile关键字
• 三：Java和操作系统是怎么保证内存可见性的？

一：线程安全的三大特性

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。

比如 a++ 操作，实际上 JMM 会分 3 步来完成。
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。

所以想要实现 ++ 这样的原子操作就需要用到 synchronized 或者是 lock 进行加锁处理。

如果是基础类的自增操作可以使用 AtomicInteger 这样的原子类来实现（其本质是利用了 CPU 级别的 的 CAS 指令来完成的）。

JDK 1.8中的原子类

2、可见性

可见性是指一个线程对共享变量的修改，另外一个线程能够立刻看到；

我们在编写Java程序的时候，JVM为了提高程序的执行效率，会对我们的程序进行优化，把经常需要被访问的变量存储在我们的缓存当中，也就是CPU中的寄存器（Cache）里，而避免直接去内存里读。

CPU从内存里读数据，需要通过总线发送指令给内存。

这个速度远远比不上让CPU直接从Cache里面读取数据。

但是在多线程的情况下，某一变量可能已经被别的线程改变了，但是该缓存却无法察觉到内存中的变化，从而造成我们的线程读取的数据跟内存里面的数据是不一致的（脏读）

通过上述描述我们可以知道：由于多核硬件架构的问题，CPU 高速缓存之间本身是不可见的，必须要实现缓存一致性协议。Java方面提供了两个关键字来保证多线程情况下共享变量的可见性方案（volatile、synchronized）。

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。
那为什么会出现不一致的情况呢？
这是由于重排序的缘故。

在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序；
重排序不会影响单线程的执行结果，但是在并发情况下，可能会出现诡异的BUG。

举例：

Java 中可以使用 volatile 来保证顺序性，synchronized 和 Lock 也可以来保证有序性，和保证原子性的方式一样，通过同一段时间只能一个线程访问来实现的。

除了通过 volatile 关键字显式的保证顺序之外， JVM 还通过 happen-before 原则来隐式的保证顺序性。其中有一条就是适用于 volatile 关键字的，针对于 volatile 关键字的写操作肯定是在读操作之前，也就是说读取的值肯定是最新的。

二：volatile关键字

volatile 关键字是用来保证数据的可见性。

从上述可见性的描述中，我们可以知道 CPU 高速缓存之间本身是不可见的，那么线程在读取变量的时候就有可能会读到脏数据。而使用 volatile 关键字对变量进行修饰的话，系统每一次用到这个变量的时候会直接从内存里面去取而不会利用缓存。但是volatile并不能保证我们操作的一个原子性（还是要通过加锁来实现），所以它是不能取代 synchronized 的。此外 volatile 关键字会阻止编译器对我们的程序进行优化，所以一般不建议使用 volatile 关键字。

总结：volatile关键字就是在多线程的操作当中，保证变量的一个可见性，避免多线程操作下读到脏数据。

三：Java和操作系统是怎么保证内存可见性的？

Java使用 volatile、synchronized 关键字保证内存可见性。

操作系统：
1）总线Lock锁。锁定总线的开销比较大，在缓存更新内存后，其他的cpu都会被锁定住，禁止与内存通信，这样开销就大了。

2）MESI协议。这是缓存一致性协议的具体实现，它通过嗅探技术识别哪个 CPU 想修改主内存缓存行信息，如果该缓存行是共享的，先将该缓存行刷新到主内存，再设置其他 CPU 的高速缓存的缓存行无效，但频繁的嗅探其他CPU 想修改的共享数据，也会导致总线风暴。