Java三大性質(zhì)總結(jié)：原子性、可見性以及有序性

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1. 三大性質(zhì)簡介
在并發(fā)編程中分析線程安全的問題時(shí)往往需要切入點(diǎn)，那就是兩大核心：JMM抽象內(nèi)存模型以及happens-before規(guī)則Java內(nèi)存模型以及happens-before規(guī)則，三條性質(zhì)：原子性，有序性和可見性。關(guān)于synchronized和volatile已經(jīng)討論過了，就想著將并發(fā)編程中這兩大神器在?原子性，有序性和可見性上做一個(gè)比較，當(dāng)然這也是面試中的高頻考點(diǎn)，值得注意。

2. 原子性
原子性是指一個(gè)操作是不可中斷的，要么全部執(zhí)行成功要么全部執(zhí)行失敗，有著“同生共死”的感覺。及時(shí)在多個(gè)線程一起執(zhí)行的時(shí)候，一個(gè)操作一旦開始，就不會被其他線程所干擾。我們先來看看哪些是原子操作，哪些不是原子操作，有一個(gè)直觀的印象：

?int?a?=?10;??//1
?a++;??//2
?int?b=a;?//3
?a?=?a+1;?//4

上面這四個(gè)語句中只有第1個(gè)語句是原子操作，將10賦值給線程工作內(nèi)存的變量a,而語句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)操作無法構(gòu)成原子操作。對語句3,4的分析同理可得這兩條語句不具備原子性。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。

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

2. 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，釋放后的變量才可以被其他線程鎖定

3. read（讀?。鹤饔糜谥鲀?nèi)存的變量，它把一個(gè)變量的值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)骄€程的工作內(nèi)存中，以便后面的load動作使用；

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

5. 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)將會執(zhí)行這個(gè)操作；

6. 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；

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

8. 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?，可以作為擴(kuò)展知識面掌握下。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。比如對主內(nèi)存中的a,b進(jìn)行訪問就可以出現(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沒有把lock和unlock開放給我們使用，但jvm以更高層次的指令monitorenter和monitorexit指令開放給我們使用，反應(yīng)到j(luò)ava代碼中就是---synchronized關(guān)鍵字，也就是說synchronized滿足原子性。
volatile 我們先來看這樣一個(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，問題在于?volatile并不能保證原子性，在前面說過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)過期的值，因此，總結(jié)果必然會是小于100000的。
如果讓volatile保證原子性，必須符合以下兩條規(guī)則：

1. 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；

2. 變量不需要與其他的狀態(tài)變量共同參與不變約束

3. 有序性
synchronized
synchronized語義表示鎖在同一時(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語義就要求線程在訪問讀寫共享變量時(shí)只能“串行”執(zhí)行，因此synchronized具有有序性。

volatile
在java內(nèi)存模型中說過，為了性能優(yōu)化，編譯器和處理器會進(jìn)行指令重排序；也就是說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，所有的操作都是無序的。在單例模式的實(shí)現(xiàn)上有一種雙重檢驗(yàn)鎖定的方式（Double-checked Locking）。

代碼如下：

public?class?Singleton?{
????private?Singleton()?{?}
????private?volatile?static?Singleton?instance;
????public?Singleton?getInstance(){
????????if(instance==null){
????????????synchronized?(Singleton.class){
????????????????if(instance==null){
????????????????????instance?=?new?Singleton();
????????????????}
????????????}
????????}
????????return?instance;
????}
}

這里為什么要加volatile了？我們先來分析一下不加volatile的情況，有問題的語句是這條：
instance = new Singleton();

這條語句實(shí)際上包含了三個(gè)操作：

1.分配對象的內(nèi)存空間；

2.初始化對象；

3.設(shè)置instance指向剛分配的內(nèi)存地址。

但由于存在重排序的問題，可能有以下的執(zhí)行順序：

如果2和3進(jìn)行了重排序的話，線程B進(jìn)行判斷if(instance==null)時(shí)就會為true，而實(shí)際上這個(gè)instance并沒有初始化成功，顯而易見對線程B來說之后的操作就會是錯(cuò)得。

而用volatile修飾的話就可以禁止2和3操作重排序，從而避免這種情況。

volatile包含禁止指令重排序的語義，其具有有序性。

4. 可見性
可見性是指當(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。通過之前對內(nèi)存synchronzed語義進(jìn)行了分析，當(dāng)線程獲取鎖時(shí)會從主內(nèi)存中獲取共享變量的最新值，釋放鎖的時(shí)候會將共享變量同步到主內(nèi)存中。

從而，synchronized具有可見性。同樣的在volatile分析中，會通過在指令中添加lock指令，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)存可見性。因此,?volatile具有可見性

5. 總結(jié)
通過這篇文章，主要是比較了synchronized和volatile在三條性質(zhì)：原子性，可見性，以及有序性的情況，

歸納如下：
synchronized: 具有原子性，有序性和可見性；?volatile：具有有序性和可見性