并发编程的三大概念原子性、有序性、可见性。这篇文章保你看完就懂我们知道volatile可以保证并发编程的可见性和有序性。想要理解volatile为什么能确保可见性就先理解Java中的内存模型是什么样的。看完下面这两句话你就明白了↓↓↓Java内存模型规定了所有的变量都要存储在主内存中。因为每条线程中还有自己的工作内存线程的工作内存中保存了该线程所使用的变量这些变量都是从主内存中拷贝而来的线程对变量的所有操作读取、赋值都必须在工作内存中进行。不同线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成。根据下面图片结合理解基于此种内存模型便产生了多线程编程中的数据“脏读”等问题。什么是脏读举例i10执行线程必须先在自己的工作线程中对变量i所在的缓存进行赋值操作然后再写入主内存中。在多线程的情况下两个线程会分别读取i的值存入各自所在的工作内存中然后线程1进行加1操作并把最新值11写入内存。此时线程2的工作内存中的i值还是10进行加1操作并写入内存最终结果还是11而不是12。这就是著名的缓存一致性问题。通常称这种多个线程访问的变量为共享变量。那么如何确保共享变量在多线程访问时能够正确输出结果呢在解决这个问题之前我们要先了解并发编程的三大概念原子性有序性可见性。原子性1.定义原子性即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断要么就都不执行。2.Java中的原子性在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的要么执行要么不执行。上面一句话虽然看起来简单但是理解起来并不是那么容易。看下面一个例子i请分析以下哪些操作是原子性操作x 10; //语句1y x; //语句2x; //语句3x x 1; //语句4咋一看可能会说上面的4个语句中的操作都是原子性操作。其实只有语句1是原子性操作其他三个语句都不是原子性操作。语句1是直接将数值10赋值给x也就是说线程执行这个语句的会直接将数值10写入到工作内存中。语句2实际上包含2个操作它先要去读取x的值再将x的值写入工作内存虽然读取x的值以及 将x的值写入工作内存 这2个操作都是原子性操作但是合起来就不是原子性操作了。同样的x和 x x1包括3个操作读取x的值进行加1操作写入新的值。所以上面4个语句只有语句1的操作具备原子性。也就是说只有简单的读取、赋值而且必须是将数字赋值给某个变量变量之间的相互赋值不是原子操作才是原子操作。从上面可以看出Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作如果要实现更大范围操作的原子性可以通过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1.定义可见性是指当多个线程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。2.实例举个简单的例子看下面这段代码//线程1执行的代码int i 0;i 10;//线程2执行的代码j i;由上面的分析可知当线程1执行 i 10这句时会先把i的初始值加载到工作内存中然后赋值为10那么在线程1的工作内存当中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的值并加载到线程2的工作内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.这就是可见性问题线程1对变量i修改了之后线程2没有立即看到线程1修改的值。3.Java中的可见性对于可见性Java提供了volatile关键字来保证可见性。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。而普通的共享变量不能保证可见性因为普通共享变量被修改之后什么时候被写入主存是不确定的当其他线程去读取时此时内存中可能还是原来的旧值因此无法保证可见性。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1.定义有序性即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。2.实例举个简单的例子看下面这段代码int i 0;boolean flag false;i 1; //语句1flag true; //语句2上面代码定义了一个int型变量定义了一个boolean类型变量然后分别对两个变量进行赋值操作。从代码顺序上看语句1是在语句2前面的那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定会在语句2前面执行吗不一定为什么呢这里可能会发生指令重排序Instruction Reorder。下面解释一下什么是指令重排序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。比如上面的代码中语句1和语句2谁先执行对最终的程序结果并没有影响那么就有可能在执行过程中语句2先执行而语句1后执行。但是要注意虽然处理器会对指令进行重排序但是它会保证程序最终结果会和代码顺序执行结果相同那么它靠什么保证的呢再看下面一个例子int a 10; //语句1int r 2; //语句2a a 3; //语句3r a*a; //语句4这段代码有4个语句那么可能的一个执行顺序是那么可不可能是这个执行顺序呢 语句2 语句1 语句4 语句3不可能因为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下面看一个例子//线程1:context loadContext(); //语句1inited true; //语句2//线程2:while(!inited ){sleep()}doSomethingwithconfig(context);上面代码中由于语句1和语句2没有数据依赖性因此可能会被重排序。假如发生了重排序在线程1执行过程中先执行语句2而此是线程2会以为初始化工作已经完成那么就会跳出while循环去执行doSomethingwithconfig(context)方法而此时context并没有被初始化就会导致程序出错。从上面可以看出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。也就是说要想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。3.Java中的有序性在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。在Java里面可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”。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。另外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。下面就来具体介绍下happens-before原则先行发生原则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的lock操作③volatile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C⑤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()方法的开始这8条规则中前4条规则是比较重要的后4条规则都是显而易见的。下面我们来解释一下前4条规则对于程序次序规则来说就是一段程序代码的执行在单个线程中看起来是有序的。注意虽然这条规则中提到“书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作”这个应该是程序看起来执行的顺序是按照代码顺序执行的但是虚拟机可能会对程序代码进行指令重排序。虽然进行重排序但是最终执行的结果是与程序顺序执行的结果一致的它只会对不存在数据依赖性的指令进行重排序。因此在单个线程中程序执行看起来是有序执行的这一点要注意理解。事实上这个规则是用来保证程序在单线程中执行结果的正确性但无法保证程序在多线程中执行的正确性。第二条规则也比较容易理解也就是说无论在单线程中还是多线程中同一个锁如果处于被锁定的状态那么必须先对锁进行了释放操作后面才能继续进行lock操作。第三条规则是一条比较重要的规则。直观地解释就是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。第四条规则实际上就是体现happens-before原则具备传递性。
