技術標籤：Java併發

目錄

1、原子性

2、可見性

3、有序性

在併發程式設計中，我們通常會遇到以下三個問題：原子性問題，可見性問題，有序性問題。

1、原子性

即一個操作或者多個操作，要麼全部執行並且執行的過程不會被任何因素打斷，要麼就都不執行。

一個很經典的例子就是銀行賬戶轉賬問題：

比如從賬戶A向賬戶B轉1000元，那麼必然包括2個操作：從賬戶A減去1000元，往賬戶B加上1000元。試想一下，如果這2個操作不具備原子性，會造成什麼樣的後果。假如從賬戶A減去1000元之後，操作突然中止。然後又從B取出了500元，取出500元之後，再執行 往賬戶B加上1000元 的操作。這樣就會導致賬戶A雖然減去了1000元，但是賬戶B沒有收到這個轉過來的1000元。

所以這2個操作必須要具備原子性才能保證不出現一些意外的問題。

同樣地反映到併發程式設計中會出現什麼結果呢？舉一個簡單的例子：

i = 0;       //1
j = i ;      //2
i++;         //3
i = j + 1;   //4

上面四個操作，有哪個幾個是原子操作，那幾個不是？如果不是很理解，可能會認為都是原子性操作，其實只有1才是原子操作，其餘均不是。

1在Java中，對基本資料型別的變數和賦值操作都是原子性操作； 
2中包含了兩個操作：讀取i，將i值賦值給j 
3中包含了三個操作：讀取i值、i + 1 、將+1結果賦值給i； 
4中同三一樣

在單執行緒環境下我們可以認為整個步驟都是原子性操作，但是在多執行緒環境下則不同，Java只保證了基本資料型別的變數和賦值操作才是原子性的（注：在32位的JDK環境下，對64位資料的讀取不是原子性操作，如long、double）。

要想在多執行緒環境下保證原子性，則可以通過鎖、synchronized來確保。volatile是無法保證複合操作的原子性。

2、可見性

可見性是指當多個執行緒訪問同一個變數時，一個執行緒修改了這個變數的值，其他執行緒能夠立即看得到修改的值。

舉個簡單的例子，看下面這段程式碼：

//執行緒1執行的程式碼
int i = 0;
i = 10;

//執行緒2執行的程式碼
j = i;

假若執行執行緒1的是CPU1，執行執行緒2的是CPU2。由上面的分析可知，當執行緒1執行 i = 10這句時，會先把i的初始值載入到CPU1的快取記憶體中，然後賦值為10，那麼在CPU1的快取記憶體當中i的值變為10了，卻沒有立即寫入到主存當中。此時執行緒2執行 j = i，它會先去主存讀取i的值並載入到CPU2的快取當中，注意此時記憶體當中i的值還是0，那麼就會使得j的值為0，而不是10。這就是可見性問題，執行緒1對變數i修改了之後，執行緒2沒有立即看到執行緒1修改的值。

在上面已經分析了，在多執行緒環境下，一個執行緒對共享變數的操作對其他執行緒是不可見的。

對於可見性，Java提供了volatile關鍵字來保證可見性。當一個共享變數被volatile修飾時，它會保證修改的值會立即被更新到主存，當有其他執行緒需要讀取時，它會去記憶體中讀取新值。而普通的共享變數不能保證可見性，因為普通共享變數被修改之後，什麼時候被寫入主存是不確定的，當其他執行緒去讀取時，此時記憶體中可能還是原來的舊值，因此無法保證可見性。

另外，通過synchronized和Lock也能夠保證可見性，synchronized和Lock能保證同一時刻只有一個執行緒獲取鎖然後執行同步程式碼，並且在釋放鎖之前會將對變數的修改重新整理到主存當中。因此可以保證可見性。

3、有序性

即程式執行的順序按照程式碼的先後順序執行。

舉個簡單的例子，看下面這段程式碼：

int i = 0;              
boolean flag = false;
i = 1;                //語句1  
flag = true;          //語句2

上面程式碼定義了一個int型變數，定義了一個boolean型別變數，然後分別對兩個變數進行賦值操作。從程式碼順序上看，語句1是在語句2前面的，那麼JVM在真正執行這段程式碼的時候會保證語句1一定會在語句2前面執行嗎？不一定，為什麼呢？這裡可能會發生指令重排序（Instruction Reorder）。

下面解釋一下什麼是指令重排序，一般來說，處理器為了提高程式執行效率，可能會對輸入程式碼進行優化，它不保證程式中各個語句的執行先後順序同程式碼中的順序一致，但是它會保證程式最終執行結果和程式碼順序執行的結果是一致的。

比如上面的程式碼中，語句1和語句2誰先執行對最終的程式結果並沒有影響，那麼就有可能在執行過程中，語句2先執行而語句1後執行。但是要注意，雖然處理器會對指令進行重排序，但是它會保證程式最終結果會和程式碼順序執行結果相同，那麼它靠什麼保證的呢？再看下面一個例子：

int a = 10;    //語句1
int r = 2;    //語句2
a = a + 3;    //語句3
r = a*a;     //語句4

這段程式碼有4個語句，那麼可能的一個執行順序是：

語句2 -> 語句1 -> 語句3 -> 語句4

那麼可不可能是這個執行順序：

語句2 -> 語句1 -> 語句4 -> 語句3。

不可能，因為處理器在進行重排序時是會考慮指令之間的資料依賴性，如果一個指令Instruction 2必須用到Instruction 1的結果，那麼處理器會保證Instruction 1會在Instruction 2之前執行。雖然重排序不會影響單個執行緒內程式執行的結果，但是多執行緒呢？下面看一個例子：

//執行緒1:
context = loadContext();   //語句1
inited = true;             //語句2

//執行緒2:
while(!inited ){
  sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

上面程式碼中，由於語句1和語句2沒有資料依賴性，因此可能會被重排序。假如發生了重排序，線上程1執行過程中先執行語句2，而此是執行緒2會以為初始化工作已經完成，那麼就會跳出while迴圈，去執行doSomethingwithconfig(context)方法，而此時context並沒有被初始化，就會導致程式出錯。

從上面可以看出，指令重排序不會影響單個執行緒的執行，但是會影響到執行緒併發執行的正確性。也就是說，要想併發程式正確地執行，必須要保證原子性、可見性以及有序性。只要有一個沒有被保證，就有可能會導致程式執行不正確。

在Java記憶體模型中，允許編譯器和處理器對指令進行重排序，但是重排序過程不會影響到單執行緒程式的執行，卻會影響到多執行緒併發執行的正確性。

在Java裡面，可以通過volatile關鍵字來保證一定的“有序性”。另外可以通過synchronized和Lock來保證有序性，很顯然，synchronized和Lock保證每個時刻是有一個執行緒執行同步程式碼，相當於是讓執行緒順序執行同步程式碼，自然就保證了有序性。另外，Java記憶體模型具備一些先天的“有序性”，即不需要通過任何手段就能夠得到保證的有序性，這個通常也稱為 happens-before 原則。如果兩個操作的執行次序無法從happens-before原則推匯出來，那麼它們就不能保證它們的有序性，虛擬機器可以隨意地對它們進行重排序。