Java并发编程之有序性

一、有序性

1. 什么是有序性？

有序性指程序执行的顺序与代码的先后顺序一致。但在实际执行中，为了提高性能，编译器和处理器可能会对指令进行重排序。

2. 为什么需要有序性？

若线程A和线程B对共享变量的操作顺序被重排，可能导致以下问题：

• 可见性问题：线程A的修改未及时对其他线程可见。
• 逻辑错误：程序依赖的操作顺序被破坏，如单例模式的双重检查锁定。

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二、指令重排序

int a = 1;
int b = 2;

可能的执行顺序：

编译器或处理器可能将b = 2提前到a = 1之前执行，但不会影响单线程结果。

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三、volatile的禁止重排序机制

1. volatile的内存语义

volatile通过以下两种方式保证有序性：

1. 禁止重排序：限制编译器和处理器对volatile变量相关指令的重排序。
2. 内存屏障：插入特定屏障指令，确保操作顺序符合预期。

2. volatile变量的读写规则

• 写操作：
  在写volatile变量后插入StoreStore屏障（禁止之前的普通写与volatile写重排序）和StoreLoad屏障（确保写操作全局可见）。

• 读操作：
  在读volatile变量前插入LoadLoad屏障（禁止之后的普通读与volatile读重排序）和LoadStore屏障（禁止之后的普通写与volatile读重排序）。

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四、实战案例：双重检查锁定

1. 问题代码（无volatile）

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {                   // 第一次检查
            synchronized (Singleton.class) {      // 加锁
                if (instance == null) {           // 第二次检查
                    instance = new Singleton();   // 隐患：可能发生指令重排序
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

2. 隐患分析

对象初始化操作instance = new Singleton()可能被重排序为：

1. 分配内存空间。
2. 将引用instance指向内存空间（此时instance != null）。
3. 初始化对象（执行构造函数）。

若步骤2和3被重排，其他线程可能拿到未初始化的对象。

3. 解决方案：使用volatile

private static volatile Singleton instance; // 添加volatile

• 禁止重排序：确保对象的初始化操作完成后，才将引用赋值给instance。
• 内存可见性：保证其他线程能立即看到instance的最新值。

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五、volatile的局限性

场景	volatile是否适用	原因
复合操作（如i++）	不适用	volatile无法保证原子性
多变量依赖的原子操作	不适用	需使用锁或原子类（如AtomicInteger）
简单的状态标志	适用	适合单个变量的可见性控制