并发编程中的原子性问题，可见性问题，有序性问题。

Posted 2021-10-27 guo10432

原子性问题：

在一个线程中，对一个32的二进制数进行赋值操作，当低16位的数据写入后，发生了中断，而此时又有一个线程去读取这个写入的数据，必定得到的是一个错误的数据。
在java中这种情况是不存在的，因为对基本数据类型的写入和赋值保证了原子性(i=10)。但仅限制于对基本数据类型，而变量的赋值就不能保证，自增就是个很好的例子，

i++:

自增：先读取数据，再加1，再写入.

也就是说只有简单的读取，赋值才是原子性。而且赋值必须是将数字赋给某个变量，变量之间的相互赋值不是原子性的，如果要实现更大范围操作的原子性，可以通过可以通过synchronized和Lock来实现。

由于synchronized和Lock能够保证任一时刻只有一个线程执行该代码块，那么自然就不存在原子性问题了，从而保证了原子性。

 

可见性问题：

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。
当程序运行过程中，会将需要的数据从主内存复制一份给cpu的高速缓存，cpu进行计算时就可以直接从高速缓存读取和写入数据，运算结束，把结果刷新到主存中。
线程一：int i=0; i=10;   线程二：j = i;
假若执行线程1的是CPU1，执行线程2的是CPU2。由上面的分析可知，当线程1执行 i =10这句时，会先把i的初始值加载到CPU1的高速缓存中，然后赋值为10，那么在CPU1的高速缓存当中i的值变为10了，却没有立即写入到主存当中。                      
此时线程2执行 j = i，它会先去主存读取i的值并加载到CPU2的缓存当中，注意此时内存当中i的值还是0，那么就会使得j的值为0，而不是10.
在java中，volatile关键字可以保证可见性。
　　当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。
另外，通过synchronized和Lock也能够保证可见性，synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。

 

有序性问题：

int a = 10;    //语句1
int r = 2;    //语句2
a = a + 3;    //语句3
r = a*a;     //语句4
这四条语句不一定按照顺序执行。
一般来说，处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，进行指令重排序。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，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。
处理器在进行重排序时是会考虑指令之间的数据依赖性，如果一个指令Instruction 2必须用到Instruction 1的结果，那么处理器会保证Instruction 1会在Instruction 2之前执行。
虽然重排序不会影响单个线程内程序执行的结果，但是多线程呢？
指令重排序不会影响单个线程的执行，但是会影响到线程并发执行的正确性。
1.volatile关键字的两层语义
　　一旦一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被volatile修饰之后，那么就具备了两层语义：
　　1）保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。
　　2）禁止进行指令重排序。
　　但是用volatile修饰之后就变得不一样了：
　　第一：使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存；
　　第二：使用volatile关键字的话，当线程2进行修改时，会导致线程1的工作内存中缓存变量缓存行无效（反映到硬件层的话，就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效）；
　　第三：由于线程1的工作内存中缓存变量缓存行无效，所以线程1再次读取变量的值时会去主存读取。
　　那么在线程2修改值时（当然这里包括2个操作，修改线程2工作内存中的值，然后将修改后的值写入内存），会使得线程1的工作内存中缓存变量的缓存行无效，然后线程1读取时，发现自己的缓存行无效，它会等待缓存行对应的主存地址被更新之后，然后去对应的主存读取最新的值。
那么线程1读取到的就是最新的正确的值。
volatile没办法保证对变量的操作的原子性。
　　在前面提到volatile关键字能禁止指令重排序，所以volatile能在一定程度上保证有序性。
　　volatile关键字禁止指令重排序有两层意思：
　　1）当程序执行到volatile变量的读操作或者写操作时，在其前面的操作的更改肯定全部已经进行，且结果已经对后面的操作可见；在其后面的操作肯定还没有进行；
　　2）在进行指令优化时，不能将在对volatile变量访问的语句放在其后面执行，也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执行。
//x、y为非volatile变量
//flag为volatile变量
x = 2;        //语句1
y = 0;        //语句2
flag = true;  //语句3
x = 4;         //语句4
y = -1;       //语句5
由于flag变量为volatile变量，那么在进行指令重排序的过程的时候，不会将语句3放到语句1、语句2前面，也不会讲语句3放到语句4、语句5后面。但是要注意语句1和语句2的顺序、语句4和语句5的顺序是不作任何保证的。
并且volatile关键字能保证，执行到语句3时，语句1和语句2必定是执行完毕了的，且语句1和语句2的执行结果对语句3、语句4、语句5是可见的。