java并发编程：可见性、原子性、有序性三大特性详解

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可见性

内存可见性，指的是线程之间的可见性，当一个线程修改了共享变量时，另一个线程可以读取到这个修改后的值。

导致可见性的原因

线程交叉执行

线程交叉执行多数情况是由于线程切换导致的，例如下图中的线程A在执行过程中切换到线程B执行完成后，再切换回线程A执行剩下的操作；此时线程B对变量的修改不能对线程A立即可见，这就导致了计算结果和理想结果不一致的情况。

重排序结合线程交叉执行

例如下面这段代码

int a = 0;    //行1
int b = 0;    //行2
a = b + 10;   //行3
b = a + 9;    //行4

如果行1和行2在编译的时候改变顺序，执行结果不会受到影响；

如果将行3和行4在变异的时候交换顺序，执行结果就会受到影响，因为b的值得不到预期的19；

由图知：由于编译时改变了执行顺序，导致结果不一致；而两个线程的交叉执行又导致线程改变后的结果也不是预期值，简直雪上加霜！

共享变量更新后没有及时更新

因为主线程对共享变量的修改没有及时更新，子线程中不能立即得到最新值，导致程序不能按照预期结果执行。

例如下面这段代码：

public class Visibility {

    // 状态标识flag
    private static boolean flag = true;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println(LocalDateTime.now() + "主线程启动计数子线程");
        new CountThread().start();

        Thread.sleep(100);
        // 设置flag为false，使上面启动的子线程跳出while循环，结束运行
        Visibility.flag = false;
        System.out.println(LocalDateTime.now() + "主线程将状态标识flag被置为false了");
    }

    static class CountThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println(LocalDateTime.now() + "计数子线程start计数");
            int i = 0;
            while (Visibility.flag) {
                i++;
            }
            System.out.println(LocalDateTime.now() + "计数子线程end计数，运行结束：i的值是" + i);
        }
    }

}

运行结果是：

从控制台的打印结果可以看出，因为主线程对flag的修改，对计数子线程没有立即可见，所以导致了计数子线程久久不能跳出while循环，结束子线程。

如何解决可见性问题

1、volatile关键字

volatile关键字能保证可见性，但也只能保证可见性，在此处就能保证flag的修改能立即被计数子线程获取到。

此时纠正上面例子出现的问题，只需在定义全局变量的时候加上volatile关键字

// 状态标识flag    
private static volatile boolean flag = true;

2、Atomic相关类

将标识状态flag在定义的时候使用Atomic相关类来进行定义的话，就能很好的保证flag属性的可见性以及原子性。

此时纠正上面例子出现的问题，只需在定义全局变量的时候将变量定义成Atomic相关类

// 状态标识flag    
private static AtomicBoolean flag = new AtomicBoolean(true); 

不过值得注意的一点是，此时原子类相关的方法设置新值和得到值的放的是有点变化，如下：

// 设置flag的值   
VisibilityDemo.flag.set(false);        
// 获取flag的值    
VisibilityDemo.flag.get() 

3、锁

此处我们使用的是Java常见的synchronized关键字。

此时纠正上面例子出现的问题，只需在为计数操作i++添加synchronized关键字修饰。

synchronized (this) {    
    i++;    
} 

通过上面三种方式，都得到类似如下的期望结果：

原子性

一个或者多个操作在 CPU 执行的过程中不被中断的特性。

出现原子性问题的原因

导致共享变量在线程之间出现原子性问题的原因是上下文切换。

那么接下来，我们通过一个例子来重现原子性问题。

package td;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * 演示：原子性问题 -> 指当一个线程对共享变量操作到一半时，另外一个线程也有可能来操作共享变量，干扰了第一个线程的操作
 */
public class Atomicity {

    //定义一个共享变量
    private static int number = 0;

    public static void addNumber(){
        number++;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //对number进行1000的++
        Runnable runnable = () -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                addNumber();
            }
        };

        List<Thread> list = new ArrayList<>();
        //使用10个线程来进行操作
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread t = new Thread(runnable);
            t.start();
            list.add(t);
        }

        for (Thread t : list) {
            //t.join()方法只会使主线程进入等待池并等待t线程执行完毕后才会被唤醒。并不影响同一时刻处在运行状态的其他线程
            t.join();
        }

        System.out.println("number = " + number);
    }
}

多次运行上面的程序，也有我们期望的结果 number = 10000，当时会出现不是我们想要的结果。

出现上面情况的原因就是因为：

 public static void addNumber(){
        number++;
    }

这段代码并不是原子操作，其中的number是一个共享变量。在多线程环境下可能会被打断。就这样原子性问题就赤裸裸的出现了。

如何解决原子性问题

1、synchronized关键字

synchronized既可以保证操作的可见性，也可以保证操作结果的原子性。

所以，此处我们只需要将addNumber()方法设置成synchronized的就能保证原子性了。

public synchronized static void addNumber(){
    number++;
}

2、Lock锁

static Lock lock = new ReentrantLock();

public static void addNumber(){
    lock.lock();//加锁
    try{
        number++;
    }finally {
        lock.unlock();//释放锁
    }
}

Lock锁保证原子性的原理和synchronized类似

3、原子操作类型

JDK提供了很多原子操作类来保证操作的原子性。比如最常见的基本类型：

AtomicBoolean
AtomicLong
AtomicDouble
AtomicInteger

这些原子操作类的底层是使用CAS机制的，这个机制保证了整个赋值操作是原子的不能被打断的，从而保证了最终结果的正确性。

和synchronized相比，原子操作类型相当于是从微观上保证原子性，而synchronized是从宏观上保证原子性。

public class Atomicity {

    //定义一个共享变量
    private static AtomicInteger number = new AtomicInteger();

    public static void add(){
        number.incrementAndGet();
    }

    public static int get(){
        return number.get();
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //对number进行1000的++
        Runnable runnable = () -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                add();
            }
        };

        List<Thread> list = new ArrayList<>();
        //使用5个线程来进行操作
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread t = new Thread(runnable);
            t.start();
            list.add(t);
        }

        for (Thread t : list) {
            //t.join()方法只会使主线程进入等待池并等待t线程执行完毕后才会被唤醒。并不影响同一时刻处在运行状态的其他线程
            t.join();
        }

        System.out.println("number = " + get());
    }
}

有序性

有序性问题 指的是在多线程环境下（多核），由于执行语句重排序后，重排序的这一部分没有一起执行完，就切换到了其它线程，导致的结果与预期不符的问题。这就是编译器的编译优化给并发编程带来的程序有序性问题。

用图示就是：

导致有序性的原因

如果一个线程写入值到字段 a，然后写入值到字段 b ，而且b的值不依赖于 a 的值，那么，处理器就能够自由的调整它们的执行顺序，而且缓冲区能够在 a 之前刷新b的值到主内存。此时就可能会出现有序性问题。

例子：

public class Order {

    static int value = 1;
    
    private static boolean flag = false;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 500; i++) {
            value = 1;
            flag = false;
            Thread thread1 = new DisplayThread();
            Thread thread2 = new CountThread();
            thread1.start();
            thread2.start();
            System.out.println("=========================================================");
            Thread.sleep(4000);
        }
    }

    static class DisplayThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " DisplayThread begin, time:" + LocalDateTime.now());
            value = 1024;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " change flag, time:" + LocalDateTime.now());
            flag = true;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " DisplayThread end, time:" + LocalDateTime.now());
        }
    }

    static class CountThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            if (flag) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " value的值是：" + value + ", time:" + LocalDateTime.now());
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " CountThread flag is true,  time:" + LocalDateTime.now());
            } else {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " value的值是：" + value + ", time:" + LocalDateTime.now());
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " CountThread flag is false, time:" + LocalDateTime.now());
            }
        }
    }
}

运行结果：

从打印的可以看出：在 DisplayThread 线程执行的时候肯定是发生了重排序，导致先为 flag 赋值，然后切换到 CountThread 线程，这才出现了打印的 value 值是1，falg 值是 true 的情况，再为 value 赋值；不过出现这种情况的原因就是这两个赋值语句之间没有联系，所以编译器在进行代码编译的时候就可能进行指令重排序。

用图示，则为：

如何解决有序性问题

1、volatile关键字

volatile 的底层是使用内存屏障来保证有序性的（让一个Cpu缓存中的状态(变量)对其他Cpu缓存可见的一种技术）。

volatile 变量有条规则是指对一个 volatile 变量的写操作， Happens-Before 于后续对这个 volatile 变量的读操作。并且这个规则具有传递性，也就是说：

使用 volatile 修饰flag就可以避免重排序和内存可见性问题。写 volatile 变量时，可以确保 volatile 写之前的操作不会被编译器重排序到 volatile 写之后。读 volatile 变量时，可以确保 volatile 读之后的操作不会被编译器重排序到 volatile 读之前。

此时，我们定义变量 flag 时使用 volatile 关键字修饰，如：

    private static volatile boolean flag = false; 

此时，变量的含义是这样子的：

也就是说，只要读取到 flag=true; 就能读取到 value=1024；否则就是读取到 flag=false; 和 value=1 的还没被修改过的初始状态；

但也有可能会出现线程切换带来的原子性问题，就是读取到 flag=false; 而 value=1024 的情况。

2、加锁

此处我们直接采用Java语言内置的关键字 synchronized，为可能会重排序的部分加锁，让其在宏观上或者说执行结果上看起来没有发生重排序。

代码修改也很简单，只需用 synchronized 关键字修饰run方法即可,代码如下:

public synchronized void run() {
    value = 1024;
    flag = true;
}

总结

最后，简单总结下几种解决方案之间的区别：

特性	Atomic变量	volatile关键字	Lock接口	synchronized关键字
原子性	可以保障	无法保障	可以保障	可以保障
可见性	可以保障	可以保障	可以保障	可以保障
有序性	无法保障	一定程度保障	可以保障	可以保障