Java并發(fā)編程

原子性

原子性：即一個(gè)操作或者多個(gè)操作 要么全部執(zhí)行并且執(zhí)行的過程不會被任何因素打斷，要么就都不執(zhí)行。

一個(gè)很經(jīng)典的例子就是銀行賬戶轉(zhuǎn)賬問題：

比如從賬戶A向賬戶B轉(zhuǎn)1000元，那么必然包括2個(gè)操作：從賬戶A減去1000元，往賬戶B加上1000元。

試想一下，如果這2個(gè)操作不具備原子性，會造成什么樣的后果。假如從賬戶A減去1000元之后，操作突然中止。然后又從B取出了500元，取出500元之后，再執(zhí)行 往賬戶B加上1000元 的操作。這樣就會導(dǎo)致賬戶A雖然減去了1000元，但是賬戶B沒有收到這個(gè)轉(zhuǎn)過來的1000元。

所以這2個(gè)操作必須要具備原子性才能保證不出現(xiàn)一些意外的問題。

同樣地反映到并發(fā)編程中會出現(xiàn)什么結(jié)果呢?

舉個(gè)最簡單的例子，大家想一下假如為一個(gè)32位的變量賦值過程不具備原子性的話，會發(fā)生什么后果?

i = 9;

假若一個(gè)線程執(zhí)行到這個(gè)語句時(shí)，我暫且假設(shè)為一個(gè)32位的變量賦值包括兩個(gè)過程：為低16位賦值，為高16位賦值。

那么就可能發(fā)生一種情況：當(dāng)將低16位數(shù)值寫入之后，突然被中斷，而此時(shí)又有一個(gè)線程去讀取i的值，那么讀取到的就是錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。

可見性

可見性是指當(dāng)多個(gè)線程訪問同一個(gè)變量時(shí)，一個(gè)線程修改了這個(gè)變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。

舉個(gè)簡單的例子，看下面這段代碼：  

//線程1執(zhí)行的代碼
int i = 0;
i = 10;
//線程2執(zhí)行的代碼
j = i;

假若執(zhí)行線程1的是CPU1，執(zhí)行線程2的是CPU2。由上面的分析可知，當(dāng)線程1執(zhí)行 i =10這句時(shí)，會先把i的初始值加載到CPU1的高速緩存中，然后賦值為10，那么在CPU1的高速緩存當(dāng)中i的值變?yōu)?0了，卻沒有立即寫入到主存當(dāng)中。

此時(shí)線程2執(zhí)行 j = i，它會先去主存讀取i的值并加載到CPU2的緩存當(dāng)中，注意此時(shí)內(nèi)存當(dāng)中i的值還是0，那么就會使得j的值為0，而不是10。

這就是可見性問題，線程1對變量i修改了之后，線程2沒有立即看到線程1修改的值。

有序性

有序性：即程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。舉個(gè)簡單的例子，看下面這段代碼：

int i = 0;              
boolean flag = false;
i = 1;                //語句1  
flag = true;          //語句2

下面解釋一下什么是指令重排序，一般來說，處理器為了提高程序運(yùn)行效率，可能會對輸入代碼進(jìn)行優(yōu)化，它不保證程序中各個(gè)語句的執(zhí)行先后順序同代碼中的順序一致，但是它會保證程序最終執(zhí)行結(jié)果和代碼順序執(zhí)行的結(jié)果是一致的。

比如上面的代碼中，語句1和語句2誰先執(zhí)行對最終的程序結(jié)果并沒有影響，那么就有可能在執(zhí)行過程中，語句2先執(zhí)行而語句1后執(zhí)行。

但是要注意，雖然處理器會對指令進(jìn)行重排序，但是它會保證程序最終結(jié)果會和代碼順序執(zhí)行結(jié)果相同，那么它靠什么保證的呢?再看下面一個(gè)例子：

上面代碼定義了一個(gè)int型變量，定義了一個(gè)boolean類型變量，然后分別對兩個(gè)變量進(jìn)行賦值操作。從代碼順序上看，語句1是在語句2前面的，那么JVM在真正執(zhí)行這段代碼的時(shí)候會保證語句1一定會在語句2前面執(zhí)行嗎?不一定，為什么呢?這里可能會發(fā)生指令重排序(Instruction Reorder)。

下面解釋一下什么是指令重排序，一般來說，處理器為了提高程序運(yùn)行效率，可能會對輸入代碼進(jìn)行優(yōu)化，它不保證程序中各個(gè)語句的執(zhí)行先后順序同代碼中的順序一致，但是它會保證程序最終執(zhí)行結(jié)果和代碼順序執(zhí)行的結(jié)果是一致的。

比如上面的代碼中，語句1和語句2誰先執(zhí)行對最終的程序結(jié)果并沒有影響，那么就有可能在執(zhí)行過程中，語句2先執(zhí)行而語句1后執(zhí)行。

但是要注意，雖然處理器會對指令進(jìn)行重排序，但是它會保證程序最終結(jié)果會和代碼順序執(zhí)行結(jié)果相同，那么它靠什么保證的呢?再看下面一個(gè)例子：

int a = 10;    //語句1
int r = 2;    //語句2
a = a + 3;    //語句3
r = a*a;     //語句4

那么可不可能是這個(gè)執(zhí)行順序呢： 語句2 語句1 語句4 語句3

不可能，因?yàn)樘幚砥髟谶M(jìn)行重排序時(shí)是會考慮指令之間的數(shù)據(jù)依賴性，如果一個(gè)指令I(lǐng)nstruction 2必須用到Instruction 1的結(jié)果，那么處理器會保證Instruction 1會在Instruction 2之前執(zhí)行。

雖然重排序不會影響單個(gè)線程內(nèi)程序執(zhí)行的結(jié)果，但是多線程呢?下面看一個(gè)例子：

//線程1:
context = loadContext();   //語句1
inited = true;             //語句2
//線程2:
while(!inited ){
  			sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

從上面可以看出，指令重排序不會影響單個(gè)線程的執(zhí)行，但是會影響到線程并發(fā)執(zhí)行的正確性。

也就是說，要想并發(fā)程序正確地執(zhí)行，必須要保證原子性、可見性以及有序性。只要有一個(gè)沒有被保證，就有可能會導(dǎo)致程序運(yùn)行不正確。