在java中，執(zhí)行下面這個(gè)語句
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int i =12; |
執(zhí)行線程必須先在自己的工作線程中對(duì)變量i所在的緩存行進(jìn)行賦值操作，然后再寫入主存當(dāng)中。而不是直接將數(shù)值10寫入主存（物理內(nèi)存）當(dāng)中。
1 原子性
定義：即一個(gè)操作或者多個(gè)操作 要么全部執(zhí)行并且執(zhí)行的過程不會(huì)被任何因素打斷，要么就都不執(zhí)行。
舉個(gè)最簡單的例子，大家想一下假如為一個(gè)32位的變量賦值過程不具備原子性的話，會(huì)發(fā)生什么后果？
int i =12;
假若一個(gè)線程執(zhí)行到這個(gè)語句時(shí)，暫且假設(shè)為一個(gè)32位的變量賦值包括兩個(gè)過程：為低16位賦值，為高16位賦值。
那么就可能發(fā)生一種情況：當(dāng)將低16位數(shù)值寫入之后，突然被中斷，而此時(shí)又有一個(gè)線程去讀取i的值，那么讀取到的就是錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。
1.1 java中的原子性操作
在Java中，對(duì)基本數(shù)據(jù)類型的變量的讀取和賦值操作是原子性操作，即這些操作是不可被中斷的，要么執(zhí)行，要么不執(zhí)行。
例如：
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int x = 10; //語句1int y = x; //語句2x++; //語句3x = x + 1; //語句4 |
語句1是直接將數(shù)值10賦值給x，也就是說線程執(zhí)行這個(gè)語句的會(huì)直接將數(shù)值10寫入到工作內(nèi)存中，所以是原子性操作。
語句2實(shí)際上包含2個(gè)操作，它先要去讀取x的值，再將y的值寫入主存，雖然讀取x的值以及 將y的值寫入主存 這2個(gè)操作都是原子性操作，但是合起來就不是原子性操作了。
語句3 語句4 同理，先將x的值讀取到高速緩存中，然后+1賦值后，再寫入到主存中。
也就是說，只有簡單的讀取、賦值（而且必須是將數(shù)字賦值給某個(gè)變量，變量之間的相互賦值不是原子操作）才是原子操作。
2 可見性
定義：指當(dāng)多個(gè)線程訪問同一個(gè)變量時(shí)，一個(gè)線程修改了這個(gè)變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。
2.1 可見性問題
例如：
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//線程1int i =12;i=13;//線程2 int j=i; |
假若執(zhí)行線程1的是CPU1，執(zhí)行線程2的是CPU2。當(dāng)線程1執(zhí)行 i =13這句時(shí)，會(huì)先把i的初始值加載到CPU1的高速緩存中，然后賦值為13，那么在CPU1的高速緩存當(dāng)中i的值變?yōu)?3了，卻沒有立即寫入到主存當(dāng)中。
此時(shí)線程2執(zhí)行 j = i，它會(huì)先去主存讀取i的值并加載到CPU2的緩存當(dāng)中，注意此時(shí)內(nèi)存當(dāng)中i的值還是12，那么就會(huì)使得j的值為12，而不是13。
這就是可見性問題，也就是說 i 的值在線程一中修改了，沒有通知其他線程更新而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)錯(cuò)亂。
2.2 解決可見性問題
Java提供了volatile關(guān)鍵字來保證可見性。
也就是說當(dāng)一個(gè)共享變量被volatile修飾時(shí)，它會(huì)保證修改的值會(huì)立即被更新到主存，當(dāng)有其他線程需要讀取時(shí)，它會(huì)去內(nèi)存中讀取新值。
3 有序性
定義：即程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。
3.1 單個(gè)線程內(nèi)程序的指令重排序
例如：
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int i = 0; boolean flag = false;i = 1; //語句1 flag = true; //語句2 |
按照我們?nèi)粘５乃季S，程序的執(zhí)行過程是從上至下一行一行執(zhí)行的，就是說按照代碼的順序來執(zhí)行，那么JVM在實(shí)際中一定會(huì)這樣嗎？？？ 答案是否定的，這里可能會(huì)發(fā)生指令重排序（Instruction Reorder）。
指令重排序（Instruction Reorder） 是指： 處理器為了提高程序運(yùn)行效率，可能會(huì)對(duì)輸入代碼進(jìn)行優(yōu)化，它不保證程序中各個(gè)語句的執(zhí)行先后順序同代碼中的順序一致，但是它會(huì)保證程序最終執(zhí)行結(jié)果和代碼順序執(zhí)行的結(jié)果是一致的。
在Java內(nèi)存模型中，允許編譯器和處理器對(duì)指令進(jìn)行重排序，但是重排序過程不會(huì)影響到單線程程序的執(zhí)行，卻會(huì)影響到多線程并發(fā)執(zhí)行的正確性。
比如上面的代碼中，語句1和語句2誰先執(zhí)行對(duì)最終的程序結(jié)果并沒有影響，那么就有可能在執(zhí)行過程中，語句2先執(zhí)行而語句1后執(zhí)行。
需要注意的是：處理器在進(jìn)行重排序時(shí)是會(huì)考慮指令之間的數(shù)據(jù)依賴性，如果一個(gè)指令I(lǐng)nstruction 2必須用到Instruction 1的結(jié)果，那么處理器會(huì)保證Instruction 1會(huì)在Instruction 2之前執(zhí)行。
3.2 多線程內(nèi)程序的指令重排序
重排序不會(huì)影響單個(gè)線程內(nèi)程序執(zhí)行的結(jié)果，但是多線程就不一定了。
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//線程1:context = loadContext(); //語句1inited = true; //語句2 //線程2:while(!inited ){ sleep()}doSomethingwithconfig(context); |
上面代碼中，由于語句1和語句2沒有數(shù)據(jù)依賴性，因此可能會(huì)被重排序。假如發(fā)生了重排序，在線程1執(zhí)行過程中先執(zhí)行語句2，而此是線程2會(huì)以為初始化工作已經(jīng)完成，那么就會(huì)跳出while循環(huán)，去執(zhí)行doSomethingwithconfig(context)方法，而此時(shí)context并沒有被初始化，就會(huì)導(dǎo)致程序出錯(cuò)。
3.3 保證有序性的解決方法
在Java里面，可以通過volatile關(guān)鍵字來保證一定的“有序性”。
當(dāng)然可以通過synchronized和Lock來保證有序性，很顯然，synchronized和Lock保證每個(gè)時(shí)刻是有一個(gè)線程執(zhí)行同步代碼，相當(dāng)于是讓線程順序執(zhí)行同步代碼，自然就保證了有序性。
3.4 volatile 保證有序性的原理
volatile關(guān)鍵字能禁止指令重排序，所以volatile能在一定程度上保證有序性，也就是說：
當(dāng)程序執(zhí)行到volatile變量的讀操作或者寫操作時(shí)，在其前面的操作的更改肯定全部已經(jīng)進(jìn)行，且結(jié)果已經(jīng)對(duì)后面的操作可見；在其后面的操作肯定還沒有進(jìn)行；
在進(jìn)行指令優(yōu)化時(shí)，不能將在對(duì)volatile變量訪問的語句放在其后面執(zhí)行，也不能把volatile變量后面的語句放到其前面執(zhí)行。
4 實(shí)例分析
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public class Test { public volatile int inc = 0; public void increase() { inc++; } public static void main(String[] args) { final Test test = new Test(); for(int i=0;i<10;i++){ new Thread(){ public void run() { for(int j=0;j<1000;j++) test.increase(); }; }.start(); } while(Thread.activeCount()>1) //保證前面的線程都執(zhí)行完 Thread.yield(); System.out.println(test.inc); }} |
一般說來 有10個(gè)線程分別進(jìn)行了1000次操作，那么最終inc的值應(yīng)該是1000*10=10000。但實(shí)際中并不是這樣，進(jìn)行過測(cè)試后會(huì)發(fā)現(xiàn)，每次執(zhí)行結(jié)束后，得到的都是一個(gè)比10000要小的值。
4.1 原理分析
自增操作是不具備原子性的，它包括讀取變量的原始值到高速緩存中、進(jìn)行加1操作、寫入主存中這三個(gè)過程。
也就是說自增操作的三個(gè)子操作可能會(huì)分割開執(zhí)行，就有可能導(dǎo)致下面這種情況出現(xiàn)：
假如某個(gè)時(shí)刻變量inc的值為10，
線程1對(duì)變量進(jìn)行自增操作，線程1先讀取了變量inc的原始值，然后線程1被阻塞了；
然后線程2對(duì)變量進(jìn)行自增操作，線程2也去讀取變量inc的原始值,
此時(shí) 變量inc的值還沒有任何改變，此時(shí)線程2拿到的值也為10，然后進(jìn)行加1操作，然后將值11寫入到主存中，
然后線程1繼續(xù)進(jìn)行加1操作 這里線程1中 inc的值依然為10，進(jìn)行加1操作，然后將值11寫入到主存中
那么兩個(gè)線程分別進(jìn)行了一次自增操作后，inc只增加了1。
4.2 synchronized 結(jié)合
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public class Test { public int inc = 0; public synchronized void increase() { inc++; } public static void main(String[] args) { final Test test = new Test(); for(int i=0;i<10;i++){ new Thread(){ public void run() { for(int j=0;j<1000;j++) test.increase(); }; }.start(); } while(Thread.activeCount()>1) //保證前面的線程都執(zhí)行完 Thread.yield(); System.out.println(test.inc); }} |
4.3 Lock 結(jié)合
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public class Test { public int inc = 0; Lock lock = new ReentrantLock(); public void increase() { lock.lock(); try { inc++; } finally{ lock.unlock(); } } public static void main(String[] args) { final Test test = new Test(); for(int i=0;i<10;i++){ new Thread(){ public void run() { for(int j=0;j<1000;j++) test.increase(); }; }.start(); } while(Thread.activeCount()>1) //保證前面的線程都執(zhí)行完 Thread.yield(); System.out.println(test.inc); }} |
4.4 使用AtomicInteger替換int
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public class Test { public AtomicInteger inc = new AtomicInteger(); public void increase() { inc.getAndIncrement(); } public static void main(String[] args) { final Test test = new Test(); for(int i=0;i<10;i++){ new Thread(){ public void run() { for(int j=0;j<1000;j++) test.increase(); }; }.start(); } while(Thread.activeCount()>1) //保證前面的線程都執(zhí)行完 Thread.yield(); System.out.println(test.inc); }} |
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