1.原子性（Atomicity）

原子性指的是一個(gè)操作是不可中斷的，即使是在多線程環(huán)境下，一個(gè)操作一旦開(kāi)始就不會(huì)被其他線程影響。由Java內(nèi)存模型來(lái)直接保證的原子性變量操作包括read、load、assign、use、store和write這六個(gè)，我們大致可以認(rèn)為，基本數(shù)據(jù)類(lèi)型的訪問(wèn)、讀寫(xiě)都是具備原子性的（例外就是long和double的非原子性協(xié)定）。如果應(yīng)用場(chǎng)景需要一個(gè)更大范圍的原子性保證（經(jīng)常會(huì)遇到），Java內(nèi)存模型還提供了lock和unlock操作來(lái)滿(mǎn)足這種需求，盡管虛擬機(jī)未把lock和unlock操作直接開(kāi)放給用戶(hù)使用，但是卻提供了更高層次的字節(jié)碼指令monitorenter和monitorexit來(lái)隱式地使用這兩個(gè)操作。這兩個(gè)字節(jié)碼指令反映到Java代碼中就是同步塊——synchronized關(guān)鍵字，因此在synchronized塊之間的操作也具備原子性。

long和double的非原子性協(xié)定”（Non-Atomic Treatment of double and long Variables）：

在java中，對(duì)基本數(shù)據(jù)類(lèi)型的變量的讀取和賦值操作是原子性操作有點(diǎn)要注意的是，對(duì)于32位系統(tǒng)的來(lái)說(shuō)，long類(lèi)型數(shù)據(jù)和double類(lèi)型數(shù)據(jù)(對(duì)于基本數(shù)據(jù)類(lèi)型，byte, short, int, float, boolean, char讀寫(xiě)是原子操作)，它們的讀寫(xiě)并非原子性的，也就是說(shuō)如果存在兩條線程同時(shí)對(duì)long類(lèi)型或者double類(lèi)型的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)是存在相互干擾的，因?yàn)閷?duì)于32位虛擬機(jī)來(lái)說(shuō)，每次原子讀寫(xiě)是32位的，而long和double則是64位的存儲(chǔ)單元，這樣會(huì)導(dǎo)致一個(gè)線程在寫(xiě)時(shí)，操作完前32位的原子操作后，輪到B線程讀取時(shí)，恰好只讀取到了后32位的數(shù)據(jù)，這樣可能會(huì)讀取到一個(gè)既非原值又不是線程修改值的變量，它可能是“半個(gè)變量”的數(shù)值，即64位數(shù)據(jù)被兩個(gè)線程分成了兩次讀取。但也不必太擔(dān)心，因?yàn)樽x取到“半個(gè)變量”的情況比較少見(jiàn)，至少在目前的商用的虛擬機(jī)中，幾乎都把64位的數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作作為原子操作來(lái)執(zhí)行。

• X=10; //原子性（簡(jiǎn)單的讀取、將數(shù)字賦值給變量）
• Y = x; //變量之間的相互賦值，不是原子操作
• X++; //對(duì)變量進(jìn)行計(jì)算操作
• X = x+1;

2.可見(jiàn)性（Visibility）

可見(jiàn)性就是指當(dāng)一個(gè)線程修改了共享變量的值時(shí)，其他線程能夠立即得知這個(gè)修改。上文在講解volatile變量的時(shí)候我們已詳細(xì)討論過(guò)這一點(diǎn)。Java內(nèi)存模型是通過(guò)在變量修改后將新值同步回主內(nèi)存，在變量讀取前從主內(nèi)存刷新變量值這種依賴(lài)主內(nèi)存作為傳遞媒介的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)性的，無(wú)論是普通變量還是volatile變量都是如此。普通變量與volatile變量的區(qū)別是，volatile的特殊規(guī)則保證了新值能立即同步到主內(nèi)存，以及每次使用前立即從主內(nèi)存刷新。因此我們可以說(shuō)volatile保證了多線程操作時(shí)變量的可見(jiàn)性，而普通變量則不能保證這一點(diǎn)。

除了volatile之外，Java還有兩個(gè)關(guān)鍵字能實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)性，它們是synchronized和final。同步塊的可見(jiàn)性是由“對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行unlock操作之前，必須先把此變量同步回主內(nèi)存中（執(zhí)行store、write操作）”這條規(guī)則獲得的。而final關(guān)鍵字的可見(jiàn)性是指：被final修飾的字段在構(gòu)造器中一旦被初始化完成，并且構(gòu)造器沒(méi)有把“this”的引用傳遞出去（this引用逃逸是一件很危險(xiǎn)的事情，其他線程有可能通過(guò)這個(gè)引用訪問(wèn)到“初始化了一半”的對(duì)象），那么在其他線程中就能看見(jiàn)final字段的值。

如下面所示，變量i與j都具備可見(jiàn)性，它們無(wú)須同步就能被其他線程正確訪問(wèn)。

public static final int i;
public final int j;
static {
	i = 0;
	// 省略后續(xù)動(dòng)作
}
{
	// 也可以選擇在構(gòu)造函數(shù)中初始化
	j = 0;
	// 省略后續(xù)動(dòng)作
}

3.有序性（Ordering）

Java內(nèi)存模型的有序性在前面講解volatile時(shí)也比較詳細(xì)地討論過(guò)了，Java程序中天然的有序性可以總結(jié)為一句話：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)線程中觀察另一個(gè)線程，所有的操作都是無(wú)序的。前半句是指“線程內(nèi)似表現(xiàn)為串行的語(yǔ)義”（Within-Thread As-If-Serial Semantics），后半句是指“指令重排序”現(xiàn)象和“工作內(nèi)存與主內(nèi)存同步延遲”現(xiàn)象。Java語(yǔ)言提供了volatile和synchronized兩個(gè)關(guān)鍵字來(lái)保證線程之間操作的有序性，volatile關(guān)鍵字本身就包含了禁止指令重排序的語(yǔ)義，而synchronized則是由“一個(gè)變量在同一個(gè)時(shí)刻只允許一條線程對(duì)其進(jìn)行l(wèi)ock操作”這條規(guī)則獲得的，這個(gè)規(guī)則決定了持有同一個(gè)鎖的兩個(gè)同步塊只能串行地進(jìn)入。

volatile用來(lái)保證可見(jiàn)性和有序性，synchronized則對(duì)三種特性都可以保證。

4.happens-before（先行發(fā)生）原則

只靠sychronized和volatile關(guān)鍵字來(lái)保證原子性、可見(jiàn)性以及有序性，那么編寫(xiě)并發(fā)程序可能會(huì)顯得十分麻煩，幸運(yùn)的是，從JDK 5開(kāi)始，Java使用新的JSR-133內(nèi)存模型，提供了
happens-before 原則來(lái)輔助保證程序執(zhí)行的原子性、可見(jiàn)性以及有序性的問(wèn)題，它是判斷數(shù)據(jù)是否存在競(jìng)爭(zhēng)、線程是否安全的依據(jù)。

先行發(fā)生是Java內(nèi)存模型中定義的兩項(xiàng)操作之間的偏序關(guān)系，比如說(shuō)操作A先行發(fā)生于操作B，其實(shí)就是說(shuō)在發(fā)生操作B之前，操作A產(chǎn)生的影響能被操作B觀察到，“影響”包括修改了內(nèi)存中共享變量的值、發(fā)送了消息、調(diào)用了方法等。下面三個(gè)偽代碼：

// 以下操作在線程A中執(zhí)行
i = 1;
// 以下操作在線程B中執(zhí)行
j = i;
// 以下操作在線程C中執(zhí)行
i = 2;

假設(shè)線程A中的操作“i=1”先行發(fā)生于線程B的操作“j=i”，那我們就可以確定在線程B的操作執(zhí)行后，變量j的值一定是等于1，得出這個(gè)結(jié)論的依據(jù)有兩個(gè)：一是根據(jù)先行發(fā)生原則，“i=1”的結(jié)果可以被觀察到；二是線程C還沒(méi)登場(chǎng)，線程A操作結(jié)束之后沒(méi)有其他線程會(huì)修改變量i的值?，F(xiàn)在再來(lái)考慮線程C，我們依然保持線程A和B之間的先行發(fā)生關(guān)系，而C出現(xiàn)在線程A和B的操作之間，但是C與B沒(méi)有先行發(fā)生關(guān)系，那j的值會(huì)是多少呢？答案是不確定！1和2都有可能，因?yàn)榫€程C對(duì)變量i的影響可能會(huì)被線程B觀察到，也可能不會(huì)，這時(shí)候線程B就存在讀取到過(guò)期數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)，不具備多線程安全性。

下面是Java內(nèi)存模型下一些“天然的”先行發(fā)生關(guān)系，這些先行發(fā)生關(guān)系無(wú)須任何同步器協(xié)助就已經(jīng)存在，可以在編碼中直接使用。如果兩個(gè)操作之間的關(guān)系不在此列，并且無(wú)法從下列規(guī)則推導(dǎo)出來(lái)，則它們就沒(méi)有順序性保障，虛擬機(jī)可以對(duì)它們隨意地進(jìn)行重排序。

• 程序次序規(guī)則（Program Order Rule）：在一個(gè)線程內(nèi)，按照控制流順序，書(shū)寫(xiě)在前面的操作先行發(fā)生于書(shū)寫(xiě)在后面的操作。注意，這里說(shuō)的是控制流順序而不是程序代碼順序，因?yàn)橐紤]分支、循環(huán)等結(jié)構(gòu)。
• 管程鎖定規(guī)則（Monitor Lock Rule）：一個(gè)unlock操作先行發(fā)生于后面對(duì)同一個(gè)鎖的lock操作。這里必須強(qiáng)調(diào)的是“同一個(gè)鎖”，而“后面”是指時(shí)間上的先后。
• volatile變量規(guī)則（Volatile Variable Rule）：對(duì)一個(gè)volatile變量的寫(xiě)操作先行發(fā)生于后面對(duì)這個(gè)變量的讀操作，這里的“后面”同樣是指時(shí)間上的先后。
• 線程啟動(dòng)規(guī)則（Thread Start Rule）：Thread對(duì)象的start()方法先行發(fā)生于此線程的每一個(gè)動(dòng)作。
• 線程終止規(guī)則（Thread Termination Rule）：線程中的所有操作都先行發(fā)生于對(duì)此線程的終止檢測(cè)，我們可以通過(guò)Thread::join()方法是否結(jié)束、Thread::isAlive()的返回值等手段檢測(cè)線程是否已經(jīng)終止執(zhí)行。
• 線程中斷規(guī)則（Thread Interruption Rule）：對(duì)線程interrupt()方法的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測(cè)到中斷事件的發(fā)生，可以通過(guò)Thread::interrupted()方法檢測(cè)到是否有中斷發(fā)生。
• 對(duì)象終結(jié)規(guī)則（Finalizer Rule）：一個(gè)對(duì)象的初始化完成（構(gòu)造函數(shù)執(zhí)行結(jié)束）先行發(fā)生于它的finalize()方法的開(kāi)始。
• 傳遞性（Transitivity）：如果操作A先行發(fā)生于操作B，操作B先行發(fā)生于操作C，那就可以得出操作A先行發(fā)生于操作C的結(jié)論。

一個(gè)操作“時(shí)間上的先發(fā)生”不代表這個(gè)操作會(huì)是“先行發(fā)生”。如果一個(gè)操作“先行發(fā)生”，這個(gè)操作也不代表是“時(shí)間上的先發(fā)生”的，因?yàn)榇嬖谥噶钪嘏诺目赡苄?。時(shí)間先后順序與先行發(fā)生原則之間基本沒(méi)有因果關(guān)系，所以我們衡量并發(fā)安全問(wèn)題的時(shí)候不要受時(shí)間順序的干擾，一切必須以先行發(fā)生原則為準(zhǔn)

參考《深入理解Java虛擬機(jī)第三版周志明》

到此這篇關(guān)于Java并發(fā)之原子性 有序性 可見(jiàn)性及Happen Before原則的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java 并發(fā)原則內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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