java并发（1）——JVM原子性、可见性、有序性

男娘i 2022-06-06 08:21 275阅读 0赞

## JVM原子性、可见性、有序性 ##

Java内存模型是围绕着并发过程中如何处理原子性、可见性、有序性这三个特征来建立的，下面是这三个特性的实现原理：

### 原子性(Atomicity) ###

原子性是指一个操作是不可中断的。即使是在多个线程一起执行的时候，一个操作一旦开始就不会被其他线程干扰。

由Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、load、use、assign、store和write六个，大致可以认为基础数据类型的访问和读写是具备原子性的。如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证，Java内存模型还提供了lock和unlock操作来满足这种需求，尽管虚拟机未把lock与unlock操作直接开放给用户使用，但是却提供了更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐匿地使用这两个操作，这两个字节码指令反映到Java代码中就是同步块—synchronized关键字，因此在synchronized块之间的操作也具备原子性。

举几个非原子操作的例子：  
a++  
32位系统操作long型数据的赋值

### 可见性(Visibility) ###

可见性就是指当一个线程修改了线程共享变量的值，其它线程能够立即得知这个修改。Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存作为传递媒介的方法来实现可见性的，无论是普通变量还是volatile变量都是如此，普通变量与volatile变量的区别是volatile的特殊规则保证了新值能立即同步到主内存（不使用缓存），以及每使用前立即从内存刷新。因为我们可以说volatile保证了线程操作时变量的可见性，而普通变量则不能保证这一点。除了volatile之外，Java还有两个关键字能实现可见性，它们是synchronized以及final。同步块的可见性是由**“对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中(执行store和write操作)”**这条规则获得的，而final关键字的可见性是指：被final修饰的字段是构造器一旦初始化完成，并且构造器没有把“this”引用传递出去，那么在其它线程中就能看见final字段的值。

### 有序性(Ordering) ###

Java内存模型中的程序天然有序性可以总结为一句话：如果在本线程内观察，所有操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程，所有操作都是无序的。前半句是指“线程内表现为串行语义”，后半句是指“指令重排序”现象和“工作内存主主内存同步延迟”现象。

Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性，volatile关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义，而synchronized则是由“一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作”这条规则来获得的，这个规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。

导致有序性的问题主要是因为“指令重排”。其原因是CPU引入了流水线的操作方式。虽然Java虚拟机和执行系统会对指令进行一定的重排，但是指令重排是有原则的。

### Happen-Before原则： ###

1.  程序顺序原则：一个线程内保证语义的串行性。其意思为：在一个线程内，按照程序代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。准确地说应该是控制流顺序而不是程序代码顺序，因为要考虑分支、循环结构。
2.  锁原则：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。这里必须强调的是同一个锁，而”后面“是指时间上的先后顺序。
3.  volatile规则：对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读取操作，这里的”后面“同样指时间上的先后顺序。
4.  线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作。
5.  线程终于规则：线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止（Thread.join()）
6.  线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生，可以通过Thread.interrupted()方法检测是否有中断发生。
7.  对象终结规则：一个对象初始化完成(构造方法执行完成)先行发生于它的finalize()方法的开始。
8.  传递性规则：如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，那就可以得出操作A先行发生于操作C的结论。