問題：

1.什么是原子性、可見性、有序性？

1. 原子性問題

原子性、可見性、有序性是并發(fā)編程所面臨的三大問題。

所謂原子操作，就是“不可中斷的一個或一系列操作”，是指不會被線程調(diào)度機(jī)制打斷的操作。這種操作一旦開始，就一直運(yùn)行到結(jié)束，中間不會有任何線程的切換。

例如對于 i++ 而言，實(shí)際會產(chǎn)生如下的 JVM 字節(jié)碼指令：

getstatic i  // 獲取靜態(tài)變量i的值（內(nèi)存取值）
iconst_1     // 準(zhǔn)備常量1
iadd         // 自增 （寄存器增加1）
putstatic i  // 將修改后的值存入靜態(tài)變量i（存值到內(nèi)存）

如果是單線程以上 8 行代碼是順序執(zhí)行（不會交錯）沒有問題：

但多線程下這 8 行代碼可能交錯運(yùn)行：

出現(xiàn)負(fù)數(shù)的情況：

出現(xiàn)正數(shù)的情況：

一個自增運(yùn)算符是一個復(fù)合操作，“內(nèi)存取值”“寄存器增加1”和“存值到內(nèi)存”這三個JVM指令本身是不可再分的，它們都具備原子性，是線程安全的，也叫原子操作。但是，兩個或者兩個以上的原子操作合在一起進(jìn)行操作就不再具備原子性了。比如先讀后寫，就有可能在讀之后，其實(shí)這個變量被修改了，出現(xiàn)讀和寫數(shù)據(jù)不一致的情況。

因為這4個操作之間是可以發(fā)生線程切換的，或者說是可以被其他線程中斷的。所以，++操作不是原子操作，在并行場景會發(fā)生原子性問題。

2. 可見性問題

一個線程對共享變量的修改，另一個線程能夠立刻可見，我們稱該共享變量具備內(nèi)存可見性。

談到內(nèi)存可見性，要先引出Java內(nèi)存模型的概念。JMM規(guī)定，將所有的變量都存放在公共主存中，當(dāng)線程使用變量時會把主存中的變量復(fù)制到自己的工作內(nèi)存（私有內(nèi)存）中，線程對變量的讀寫操作，是自己工作內(nèi)存中的變量副本。

如果兩個線程同時操作一個共享變量，就可能發(fā)生可見性問題：

(1) 主存中有變量sum，初始值sum=0；

(2) 線程A計劃將sum加1，先將sum=0復(fù)制到自己的私有內(nèi)存中，然后更新sum的值，線程A操作完成之后其私有內(nèi)存中sum=1，然而線程A將更新后的sum值回刷到主存的時間是不固定的；

(3) 在線程A沒有回刷sum到主存前，剛好線程B同樣從主存中讀取sum，此時值為0，和線程A進(jìn)行同樣的操作，最后期盼的sum=2目標(biāo)沒有達(dá)成，最終sum=1；

線程A和線程B并發(fā)操作sum發(fā)生內(nèi)存可見性問題：

要想解決多線程的內(nèi)存可見性問題，所有線程都必須將共享變量刷新到主存，一種簡單的方案是：使用Java提供的關(guān)鍵字volatile修飾共享變量。

為什么Java局部變量、方法參數(shù)不存在內(nèi)存可見性問題？

在Java中，所有的局部變量、方法定義參數(shù)都不會在線程之間共享，所以也就不會有內(nèi)存可見性問題。所有的Object實(shí)例、Class實(shí)例和數(shù)組元素都存儲在JVM堆內(nèi)存中，堆內(nèi)存在線程之間共享，所以存在可見性問題。

3. 有序性問題

所謂程序的有序性，是指程序按照代碼的先后順序執(zhí)行。如果程序執(zhí)行的順序與代碼的先后順序不同，并導(dǎo)致了錯誤的結(jié)果，即發(fā)生了有序性問題。

@Slf4j
public class Test3 {
    private static volatile int x=0,y=0;
    private static int a=0,b=0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for(int i=0;;i++){
            a=0;
            b=0;
            x=0;
            y=0;
            Thread t1 = new Thread(() -> {
                a = 1;
                x = b;
            });

            Thread t2 = new Thread(() -> {
                b = 1;
                y = a;
            });
            t1.start();
            t2.start();
            t1.join();
            t2.join();
            // 假如t1線程先執(zhí)行，t2線程后執(zhí)行，則結(jié)果為a=1,x=0,b=1,y=1  (0,1)
            // 假如t2線程先執(zhí)行，t1線程后執(zhí)行，則結(jié)果為b=1,y=0,a=1,x=1  (1,0)
            // 假如t1線程和t2線程的指令是同時或交替執(zhí)行的,則結(jié)果為a=1,b=1,x=1,y=1 (1,1)
            // 但是不可能出現(xiàn)(0,0)
            if(x==0 && y==0){
                log.debug("x:{}, y:{}",x,y);
            }
        }
    }
}

由于并發(fā)執(zhí)行的無序性，賦值之后x、y的值可能為(1,0)、(0,1)或(1,1)。為什么呢？因為線程t1可能在線程t2開始之前就執(zhí)行完了，也可能線程t2在線程t1開始之前就執(zhí)行完了，甚至有可能二者的指令是同時或交替執(zhí)行的。

然而，執(zhí)行以上代碼時，出乎意料的事情發(fā)生了：這段代碼的執(zhí)行結(jié)果也可能是(0,0)，部分結(jié)果如下：

19:37:32.113 [main] DEBUG com.example.test.Test3 - x:0, y:0
19:37:33.041 [main] DEBUG com.example.test.Test3 - x:0, y:0
19:37:34.501 [main] DEBUG com.example.test.Test3 - x:0, y:0
19:37:41.825 [main] DEBUG com.example.test.Test3 - x:0, y:0

于以上程序來說，(0,0)結(jié)果是錯誤的，意味著已經(jīng)發(fā)生了并發(fā)的有序性問題。為什么會出現(xiàn)(0,0)結(jié)果呢？可能在程序的執(zhí)行過程中發(fā)生了指令重排序。對于線程t1來說，可能a=1和x=b這兩個語句的賦值操作順序被顛倒了，對于線程t2來說，可能b=1和y=a這兩個語句的賦值操作順序被顛倒了，從而出現(xiàn)了(x,y)值為(0,0)的錯誤結(jié)果。

什么是指令重排序？

一般來說，CPU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語句的執(zhí)行順序同代碼中的先后順序一致，但是它會保證程序最終的執(zhí)行結(jié)果和代碼順序執(zhí)行的結(jié)果是一致的。

重排序也是單核時代非常優(yōu)秀的優(yōu)化手段，有足夠多的措施保證其在單核下的正確性。在多核時代，如果工作線程之間不共享數(shù)據(jù)或僅共享不可變數(shù)據(jù)，重排序也是性能優(yōu)化的利器。然而，如果工作線程之間共享了可變數(shù)據(jù)，由于兩種重排序的結(jié)果都不是固定的，因此會導(dǎo)致工作線程似乎表現(xiàn)出了隨機(jī)行為。指令重排序不會影響單個線程的執(zhí)行，但是會影響多個線程并發(fā)執(zhí)行的正確性。

事實(shí)上，輸出了亂序的結(jié)果，并不代表一定發(fā)生了指令重排序，內(nèi)存可見性問題也會導(dǎo)致這樣的輸出。但是，指令重排序也是導(dǎo)致亂序的原因之一。

總之，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。只要有一個沒有得到保證，就有可能會導(dǎo)致程序運(yùn)行不正確。

總結(jié)

本篇文章就到這里了，希望能夠給你帶來幫助，也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容!     

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