【Java】【并發(fā)編程】詳解并發(fā)三大特性

什么是并發(fā)三大特性

在并發(fā)編程中，去解決線程安全的問(wèn)題，一般可以從兩大核心和三大特性作為切入點(diǎn)來(lái)思考怎么去解決，兩大核心就是JMM內(nèi)存模型和happens-before規(guī)則，三大特性主要是原子性、可見(jiàn)性和有序性。并發(fā)關(guān)鍵字synchronized和volatile都涉及到了三大特性，說(shuō)明了三大特性的重要性。從這兩個(gè)關(guān)鍵字分析這三大特性。

一、原子性

什么是原子性：就是指一個(gè)操作是不可中斷的，要么執(zhí)行成功要么執(zhí)行失敗，在多線程中，一個(gè)線程正在執(zhí)行就不會(huì)被其他線程干擾。分析如下例子：

int a = 10; //1

a++; //2

int b=a; //3

a = a+1; //4

上面這四個(gè)語(yǔ)句中只有第1個(gè)語(yǔ)句是原子操作，將10賦值給線程工作內(nèi)存的變量a,而語(yǔ)句2（a++），實(shí)際上包含了三個(gè)操作：1. 讀取變量a的值；2：對(duì)a進(jìn)行加一的操作；3.將計(jì)算后的值再賦值給變量a，而這三個(gè)操作無(wú)法構(gòu)成原子操作。對(duì)語(yǔ)句3,4的分析同理可得這兩條語(yǔ)句不具備原子性。當(dāng)然，java內(nèi)存模型中定義了8中操作都是原子的，不可再分的。

lock(鎖定)：作用于主內(nèi)存中的變量，它把一個(gè)變量標(biāo)識(shí)為一個(gè)線程獨(dú)占的狀態(tài)；

unlock(解鎖):作用于主內(nèi)存中的變量，它把一個(gè)處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來(lái)，釋放后的變量才可以被其他線程鎖定

read（讀取）：作用于主內(nèi)存的變量，它把一個(gè)變量的值從主內(nèi)存復(fù)制傳輸?shù)骄€程的工作內(nèi)存中，以便后面的load動(dòng)作使用；

load（載入）：作用于工作內(nèi)存中的變量，它把read操作從主內(nèi)存中得到的變量值復(fù)制放入工作內(nèi)存中的變量副本

use（使用）：作用于工作內(nèi)存中的變量，它把工作內(nèi)存中一個(gè)變量的值傳遞給執(zhí)行引擎，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個(gè)需要使用到變量的值的字節(jié)碼指令時(shí)將會(huì)執(zhí)行這個(gè)操作；

assign（賦值）：作用于工作內(nèi)存中的變量，它把一個(gè)從執(zhí)行引擎接收到的值賦給工作內(nèi)存的變量，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個(gè)給變量賦值的字節(jié)碼指令時(shí)執(zhí)行這個(gè)操作；

store（存儲(chǔ)）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把工作內(nèi)存中一個(gè)變量的值同步傳送給主內(nèi)存中以便隨后的write操作使用；

write（操作）：作用于主內(nèi)存的變量，它把store操作從工作內(nèi)存中得到的變量的值同步放入主內(nèi)存的變量中。

上面的這些指令操作是相當(dāng)?shù)讓拥模梢宰鳛閿U(kuò)展知識(shí)面掌握下。那么如何理解這些指令了?比如，把一個(gè)變量從主內(nèi)存中復(fù)制到工作內(nèi)存中就需要執(zhí)行read,load操作，將工作內(nèi)存同步到主內(nèi)存中就需要執(zhí)行store,write操作。注意的是：java內(nèi)存模型只是要求上述兩個(gè)操作是順序執(zhí)行的并不是連續(xù)執(zhí)行的。也就是說(shuō)read和load之間可以插入其他指令，store和writer可以插入其他指令。比如對(duì)主內(nèi)存中的a,b進(jìn)行訪問(wèn)就可以出現(xiàn)這樣的操作順序：read a,read b, load b,load a。

由原子性變量操作read,load,use,assign,store,write，可以大致認(rèn)為基本數(shù)據(jù)類型的訪問(wèn)讀寫具備原子性（例外就是long和double的非原子性協(xié)定）

synchronized

上面一共有八條原子操作，其中六條可以滿足基本數(shù)據(jù)類型的訪問(wèn)讀寫具備原子性，還剩下lock和unlock兩條原子操作。如果我們需要更大范圍的原子性操作就可以使用lock和unlock原子操作。盡管jvm沒(méi)有把lock和unlock開(kāi)放給我們使用，但jvm以更高層次的指令monitorenter和monitorexit指令開(kāi)放給我們使用，反應(yīng)到j(luò)ava代碼中就是synchronized關(guān)鍵字，也就是說(shuō)synchronized滿足原子性。

volatile

我們先來(lái)看這樣一個(gè)例子：

public class VolatileExample { private static volatile int counter = 0; public static void main(String[] args) { for (int i = 0; i < 10; i++) { Thread thread = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { for (int i = 0; i < 10000; i++) counter++; } }); thread.start(); } try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(counter); } }

開(kāi)啟10個(gè)線程，每個(gè)線程都自加10000次，如果不出現(xiàn)線程安全的問(wèn)題最終的結(jié)果應(yīng)該就是：10*10000 = 100000;可是運(yùn)行多次都是小于100000的結(jié)果，問(wèn)題在于 volatile并不能保證原子性，在前面說(shuō)過(guò)counter++這并不是一個(gè)原子操作，包含了三個(gè)步驟：1.讀取變量counter的值；2.對(duì)counter加一；3.將新值賦值給變量counter。如果線程A讀取counter到工作內(nèi)存后，其他線程對(duì)這個(gè)值已經(jīng)做了自增操作后，那么線程A的這個(gè)值自然而然就是一個(gè)過(guò)期的值，因此，總結(jié)果必然會(huì)是小于100000的。

如果讓volatile保證原子性，必須符合以下兩條規(guī)則：

運(yùn)算結(jié)果并不依賴于變量的當(dāng)前值，或者能夠確保只有一個(gè)線程修改變量的值；

變量不需要與其他的狀態(tài)變量共同參與不變約束

二、可見(jiàn)性

可見(jiàn)性是指當(dāng)一個(gè)線程修改了共享變量后，其他線程能夠立即得知這個(gè)修改。通過(guò)之前對(duì)synchronzed內(nèi)存語(yǔ)義進(jìn)行了分析，當(dāng)線程獲取鎖時(shí)會(huì)從主內(nèi)存中獲取共享變量的最新值，釋放鎖的時(shí)候會(huì)將共享變量同步到主內(nèi)存中。從而，synchronized具有可見(jiàn)性。同樣的在volatile分析中，會(huì)通過(guò)在指令中添加內(nèi)存屏障指令，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)存可見(jiàn)性。因此, volatile具有可見(jiàn)性

三、有序性

synchronized

synchronized語(yǔ)義表示鎖在同一時(shí)刻只能由一個(gè)線程進(jìn)行獲取，當(dāng)鎖被占用后，其他線程只能等待。因此，synchronized語(yǔ)義就要求線程在訪問(wèn)讀寫共享變量時(shí)只能“串行”執(zhí)行，因此synchronized具有有序性。

volatile

在java內(nèi)存模型中說(shuō)過(guò)，為了性能優(yōu)化，編譯器和處理器會(huì)進(jìn)行指令重排序；也就是說(shuō)java程序天然的有序性可以總結(jié)為：如果在本線程內(nèi)觀察，所有的操作都是有序的；如果在一個(gè)線程觀察另一個(gè)線程，所有的操作都是無(wú)序的。volatile包含禁止指令重排序的語(yǔ)義，其具有有序性。

四、總結(jié)

synchronized: 具有原子性，有序性和可見(jiàn)性； volatile：具有有序性和可見(jiàn)性

Java 任務(wù)調(diào)度

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