深入讲解并发编程模型之并发三大特性篇

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阅读本文之前，建议先阅读 深入讲解并发编程模型之概念篇 了解什么是重排序、什么是内存屏障、什么是 happens-before。不然下面的内容阅读起来有点费劲。

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可见性

一个线程的操作结果对其它线程可见成为可见性

• volatile：保证对变量的写操作的可见性
• synchronized：对变量的读写（或者）代码块的执行加锁，执行完毕，操作结果写回内存，保证操作的可见性

volatite如何保证可见性

在Java中主要是使用了volatite修饰的变量，那么就可以保证可见效。工作原理如下：

lock前缀指令和MESI协议综合使用

对于volatile修饰的变量，执行写操作的话，JVM会发送一条lock前缀指令给CPU，CPU在计算完之后会立即将这个值写回主内存，同时因为有MESI缓存一致性协议，所以各个CPU都会对总线进行嗅探自己本地缓存中的数据是否被修改了。如果发现某个缓存的值被修改了，那么CPU就会将自己本地缓存的数据过期掉，然后这个CPU上执行的线程在读取那个变量的时候，就会从主内存重新加载最新的数据了。

使用lock前缀指令和MESI协议综合使用保证了可见性。

synchronized如何保证可见性

synchronized主要对变量读写，或者代码块的执行进行加锁，在未释放锁之前，其它现场无法操作synchronized修饰的变量或者代码块。并且，在释放锁之前会讲修改的变量值写到内存中，其它线程进来时读取到的就是新的值了。

原子性

原子性表示一步操作执行过程中不允许其他操作的出现，直到该操作的完成。

在Java中，对基本数据类型变量的赋值操作是原子性操作。但是对于复合操作是不具有原子性的，比如：

int a = 0; // 具有原子性
a++; // 不具有原子性，这个是复合操作，先读取a的值，再进行+1操作，然后把+1结果写给a
int b = a; // 这个也不具有原子性，先读取a，然后把b值设为a

在Java的JMM模型中，定义了八种原子操作：

• lock（锁定）：作用于内存中的变量，将变量标识为某个线程的独占状态
• unlock（解锁）：作用于内存中的变量，将变量从某个线程的独占状态中释放出来，供其它现场获取独占状态
• read（读取）：从内存中读取变量到线程的工作内存中，供load操作使用
• load（载入）：作用于线程工作内存，将read从内存读取的变量，保存到工作内存的变量副本
• use（使用）：作用于工作内存中的变量，当虚拟机执行到需要变量的字节码时，就会需要该动作
• assign（赋值）：作用于工作内存中的变量，当虚拟机执行变量的赋值字节码时，将执行该操作，将值赋值给工作内存中的变量
• store（存储）：作用与工作内存中的变量，将工作内存的变量传递给内存
• write（写入）：作用于内存的变量，将store步骤中传递过来的变量，写入到内存中

有序性

程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行代码的执行步骤有序

• valotile：通过禁止指令重排序保证有序性
• synchronized：通过加锁互斥其它线程的执行保证可见性

在Java中，处理器和编译器会对指令进行重排序的。但是这个重排序只是对单个线程内程序执行结果没有影响，在多线程环境下可能就有影响了。

int a = 10; // 1
int b = 12; // 2
a = a + 1; // 3
b = b * 2; // 4

实际上，在单线程环境中，程序1和2执行的顺序对程序结果没有影响，程序3和4执行顺序对程序执行结果没有影响，它们是可以在编译器或者处理的优化下做指令重排的，但是程序3不会在程序1之前执行，因为这会影响程序执行结果。具体关于指令重排序，推荐阅读 [深入讲解并发编程模型之重排序篇
](http://www.funcodingman.cn/po... 。

boolean flag = true; 
flag = false; // 0
int a = 0;
//线程1执行 1、2 代码
a = 1   // 1
flag = true; // 2    

//线程2执行 3、4、5、6 代码
while(!flag){ // 3
 a = a + 1; // 4
} // 5
System.out.println(a); // 6

此时，如果有两个现场执行该段代码，按照我们编写的代码逻辑思路是，先执行1、2，再执行3、4、5、6、7。但是在多线程环境中，如果指令进行了重排序，导致2先在0之前执行，那么就会导致预期输出a是2，那么实际是1。

所以，在Java中，我们需要通过valotite、synchronized对程序进行保护，防止指令重排序让程序输出不是预期的结果。

保证有序性的重要原则

在Java中，编译器和处理器要想对指令进行重排序，如果程序符合下面的原则，就不会发生重排序，这是JMM强制要求的。

happens-before 四大原则

• 程序次序规则：一个线程内（不适用多线程），按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作
• 监视器锁规则：对一个监视器的解锁操作先行发生于后面对同一个锁的占有锁操作
• volatile变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作。也就是程序代码如果是先写再读，那么就不能重排序先读再写。
• 传递规则：如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生于操作C

如果程序不满足这四大原则的话，原则上是可以任意重排序的。

volatite 如何保证有序性

内存屏障

LoadLoad内存屏障

Load对应JMM中的加载数据的意思。

语法格式：

// load1表示加载指令1，load2表示加载指令2
load1: LoadLoad :load2

LoadLoad屏障：load1；LoadLoad；load2，确保load1数据的装载先于load2后所有装载指令，也就是说，load1对应的代码和load2对应的代码，是不能指令重排的

StoreStore内存屏障

Store对应JMM中存储数据在线程本地工作内存的意思

语法格式：

store1；StoreStore；store2

StoreStore屏障：store1；StoreStore；store2，确保store1的数据一定刷回主存，对其他cpu可见，先于store2以及后续指令

LoadStore内存屏障

语法格式：

load1；LoadStore；store2

LoadStore屏障：load1；LoadStore；store2，确保load1指令的数据装载，先于store2以及后续指令

StoreLoad内存屏障

语法格式：

store1；LoadStore；load2

StoreLoad屏障：store1；StoreLoad；load2，确保store1指令的数据一定刷回主存，对其他cpu可见，先于load2以及后续指令的数据装载

那么volatile修饰的变量，如何在内存屏障中体现的呢？

看一段代码：

volatile a = 1;

a = 2; // store操作

int b = a // load操作

对于volatile修改变量的读写操作，都会加入内存屏障

• 每个volatile读操作前面，加LoadLoad屏障，禁止上面的普通读和voaltile读重排
• 每个volatile读操作后面，加LoadStore屏障，禁止下面的普通写和volatile读重排
• 每个volatile写操作前面，加StoreStore屏障，禁止上面的普通写和它重排
• 每个volatile写操作后面，加StoreLoad屏障，禁止跟下面的volatile读/写重排。

所以，上面代码的伪指令代码：

volatile a = 1; // 声明一个a变量，值为1

StoreStore; // 禁止上面的a = 1和a=2重排

a = 2;

StoreLoad; // 确保a的值刷回主内存，对所有CPU可见，下面的读操作才会执行

int b = a;

总结

这里和大家详细分析了并发三大特性问题，分别是可见效、原子性和有序性，以及在Java中如何保证这三大特性，具体的原理是什么。

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