原子性、可见性、有序性

Posted 2023-05-05

参考技术A 原子性：原子性是指一个操作是不可分割的，要么全部执行，要么全部失败。jvm 定义了以下 8 种操作是具有原子性的（下面的操作都是 jvm 可读的汇编指令））：

可见性：可见性是指当一个线程修改了共享变量之后，能够立马同步到主存中，其他线程能够立即得知这个修改。

有序性：计算机执行程序时并不一定是按照我们编写的程序由上至下顺序执行，编译器和 CPU 会在保证输出结果和顺序执行一样的前提下，对指令进行重排序，使性能得到优化。如果 CPU 是单核，那这种优化不会带来线程执行冲突。但多核 CPU 的情况下，多线程并发操作共享变量，这种指令重排序可能导致意想不到的结果。

并发编程之原子性可见性有序性的简单理解

并发程序正确地执行，必须要保证原子性、可见性以及有序性。只要有一个没有被保证，就有可能会导致程序运行不正确。

原子性：一个操作或多个操作要么全部执行完成且执行过程不被中断，要么就不执行。

可见性：当多个线程同时访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。

有序性：程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

对于单线程，在执行代码时jvm会进行指令重排序，处理器为了提高效率，可以对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证保存最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。

Java语言对原子性、可见性、有序性的保证

1、原子性

在Java中，对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作，即这些操作是不可被中断，要么执行，要么不执行。

X=10;  //原子性（简单的读取、将数字赋值给变量）

Y = x;  //变量之间的相互赋值，不是原子操作

X++;  //对变量进行计算操作

X = x+1;

语句2实际包括两个操作，它先要去读取x的值，再将y值写入，两个操作分开是原子性的。合在一起就不是原子性的。

语句3、4:x++  x=x+1包括3个操作：读取x的值，x+1，将x写入

注：可以通过 synchronized和Lock实现原子性。因为synchronized和Lock能够保证任一时刻只有一个线程访问该代码块。

 

2、可见性

Java提供了volatile关键字保证可见性。

当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值立即被其他的线程看到，即修改的值立即更新到主存中，当其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。

Synchronized和Lock也可以保证可见性，因为它们可以保证任一时刻只有一个线程能访问共享资源，并在其释放锁之前将修改的变量刷新到内存中，

 

3、有序性

在Java里面，可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”（具体原理在下一节讲述volatile关键字）。另外可以通过synchronized和Lock来保证有序性，很显然，synchronized和Lock保证每个时刻是有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码，自然就保证了有序性。

 

Java内存模型：每个线程都有自己的工作内存（类似于前面的高速缓存）。线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接对主存进行操作。并且每个线程不能访问其他线程的工作内存。

 

Java内存模型具备一些先天的“有序性”，即不需要通过任何手段就能够得到保证的有序性，这个通常也称为happens-before 原则。如果两个操作的执行次序无法从happens-before原则推导出来，那么它们就不能保证它们的有序性，虚拟机可以随意地对它们进行重排序。

 

指令重排序：java语言规范规定JVM线程内部维持顺序化语义。即只要程序的最终结果与它顺序化情况的结果相等，那么指令的执行顺序可以与代码顺序不一致，此过程叫指令的重排序。

指令重排序的意义：JVM能根据处理器特性（CPU多级缓存系统、多核处理器等）适当的对机器指令进行重排序，使机器指令能更符合CPU的执行特性，最大限度的发挥机器性能。

下面就来具体介绍下happens-before原则（先行发生原则）：

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

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

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。如果一个线程先去写一个变量，然后一个线程去进行读取，那么写入操作肯定会先行发生于读操作。

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。

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

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

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

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