并发三大性质总结：原子性，有序性，可见性

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1. 三大性质简介

在并发编程中分析线程安全的问题时往往需要切入点，那就是两大核心：JMM抽象内存模型以及happens-before规则（在这篇文章中已经经过了），三条性质：原子性，有序性和可见性。关于synchronized和volatile已经讨论过了，就想着将并发编程中这两大神器在 原子性，有序性和可见性上做一个比较，当然这也是面试中的高频考点，值得注意。

2. 原子性

原子性是指一个操作是不可中断的，要么全部执行成功要么全部执行失败，有着“同生共死”的感觉。及时在多个线程一起执行的时候，一个操作一旦开始，就不会被其他线程所干扰。我们先来看看哪些是原子操作，哪些不是原子操作，有一个直观的印象：

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

上面这四个语句中只有第1个语句是原子操作，将10赋值给线程工作内存的变量a,而语句2（a++），实际上包含了三个操作：1. 读取变量a的值；2：对a进行加一的操作；3.将计算后的值再赋值给变量a，而这三个操作无法构成原子操作。对语句3,4的分析同理可得这两条语句不具备原子性。当然，java内存模型中定义了8中操作都是原子的，不可再分的。

1. lock(锁定)：作用于主内存中的变量，它把一个变量标识为一个线程独占的状态；
2. unlock(解锁):作用于主内存中的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定
3. read（读取）：作用于主内存的变量，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中，以便后面的load动作使用；
4. load（载入）：作用于工作内存中的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存中的变量副本
5. use（使用）：作用于工作内存中的变量，它把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值的字节码指令时将会执行这个操作；
6. assign（赋值）：作用于工作内存中的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作；
7. store（存储）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传送给主内存中以便随后的write操作使用；
8. write（操作）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中。

上面的这些指令操作是相当底层的，可以作为扩展知识面掌握下。那么如何理解这些指令了?比如，把一个变量从主内存中复制到工作内存中就需要执行read,load操作，将工作内存同步到主内存中就需要执行store,write操作。注意的是：java内存模型只是要求上述两个操作是顺序执行的并不是连续执行的。也就是说read和load之间可以插入其他指令，store和writer可以插入其他指令。比如对主内存中的a,b进行访问就可以出现这样的操作顺序：read a,read b, load b,load a。

　在Java中，对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作，即这些操作是不可被中断的，要么执行，要么不执行。只有简单的读取、赋值（而且必须是将数字赋值给某个变量，变量之间的相互赋值不是原子操作）才是原子操作。不过这里有一点需要注意：在32位平台下，对64位数据的读取和赋值是需要通过两个操作来完成的，不能保证其原子性。但是好像在最新的JDK中，JVM已经保证对64位数据的读取和赋值也是原子性操作了。

Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作，如果要实现更大范围操作的原子性，可以通过synchronized和Lock来实现。由于synchronized和Lock能够保证任一时刻只有一个线程执行该代码块，那么自然就不存在原子性问题了，从而保证了原子性。

由原子性变量操作read,load,use,assign,store,write，可以大致认为基本数据类型的访问读写具备原子性（例外就是long和double的非原子性协定）

synchronized

上面一共有八条原子操作，其中六条可以满足基本数据类型的访问读写具备原子性，还剩下lock和unlock两条原子操作。如果我们需要更大范围的原子性操作就可以使用lock和unlock原子操作。尽管jvm没有把lock和unlock开放给我们使用，但jvm以更高层次的指令monitorenter和monitorexit指令开放给我们使用，反应到java代码中就是---synchronized关键字，也就是说synchronized满足原子性。

volatile
我们先来看这样一个例子：

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);
    }
}

开启10个线程，每个线程都自加10000次，如果不出现线程安全的问题最终的结果应该就是：10*10000 = 100000;可是运行多次都是小于100000的结果，问题在于 volatile并不能保证原子性，在前面说过counter++这并不是一个原子操作，包含了三个步骤：1.读取变量counter的值；2.对counter加一；3.将新值赋值给变量counter。如果线程A读取counter到工作内存后，其他线程对这个值已经做了自增操作后，那么线程A的这个值自然而然就是一个过期的值，因此，总结果必然会是小于100000的。

如果让volatile保证原子性，必须符合以下两条规则：

1. 运算结果并不依赖于变量的当前值，或者能够确保只有一个线程修改变量的值；
2. 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束

不要将volatile用在getAndOperate场合，仅仅set或者get的场景是适合volatile的

例如你让一个volatile的integer自增（i++），其实要分成3步：1）读取volatile变量值到local； 2）增加变量的值；3）把local的值写回，让其它的线程可见。这3步的jvm指令为：

1 2 3 4

mov    0xc(%r10),%r8d ; Load inc    %r8d           ; Increment mov    %r8d,0xc(%r10) ; Store lock addl $0x0,(%rsp) ; StoreLoad Barrier

注意最后一步是内存屏障。

什么是内存屏障（Memory Barrier）？

内存屏障（memory barrier）是一个CPU指令。基本上，它是这样一条指令： a) 确保一些特定操作执行的顺序； b) 影响一些数据的可见性(可能是某些指令执行后的结果)。编译器和CPU可以在保证输出结果一样的情况下对指令重排序，使性能得到优化。插入一个内存屏障，相当于告诉CPU和编译器先于这个命令的必须先执行，后于这个命令的必须后执行。内存屏障另一个作用是强制更新一次不同CPU的缓存。例如，一个写屏障会把这个屏障前写入的数据刷新到缓存，这样任何试图读取该数据的线程将得到最新值，而不用考虑到底是被哪个cpu核心或者哪颗CPU执行的。

内存屏障（memory barrier）和volatile什么关系？上面的虚拟机指令里面有提到，如果你的字段是volatile，Java内存模型将在写操作后插入一个写屏障指令，在读操作前插入一个读屏障指令。这意味着如果你对一个volatile字段进行写操作，你必须知道：1、一旦你完成写入，任何访问这个字段的线程将会得到最新的值。2、在你写入前，会保证所有之前发生的事已经发生，并且任何更新过的数据值也是可见的，因为内存屏障会把之前的写入值都刷新到缓存。

3. 有序性

synchronized

synchronized语义表示锁在同一时刻只能由一个线程进行获取，当锁被占用后，其他线程只能等待。因此，synchronized语义就要求线程在访问读写共享变量时只能“串行”执行，因此synchronized具有有序性。

volatile

在java内存模型中说过，为了性能优化，编译器和处理器会进行指令重排序（一般来说，处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的）；也就是说java程序天然的有序性可以总结为：如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的；如果在一个线程观察另一个线程，所有的操作都是无序的。在单例模式的实现上有一种双重检验锁定的方式（Double-checked Locking）。代码如下：

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;
    }
}

这里为什么要加volatile了？我们先来分析一下不加volatile的情况，有问题的语句是这条：

instance = new Singleton();

这条语句实际上包含了三个操作：1.分配对象的内存空间；2.初始化对象；3.设置instance指向刚分配的内存地址。但由于存在重排序的问题，可能有以下的执行顺序：

 

不加volatile可能的执行时序

如果2和3进行了重排序的话，线程B进行判断if(instance==null)时就会为true，而实际上这个instance并没有初始化成功，显而易见对线程B来说之后的操作就会是错得。而用volatile修饰的话就可以禁止2和3操作重排序，从而避免这种情况。volatile包含禁止指令重排序的语义，其具有有序性。

　在Java里面，可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”（具体原理在下一节讲述）。另外可以通过synchronized和Lock来保证有序性，很显然，synchronized和Lock保证每个时刻是有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码，自然就保证了有序性。另外，Java内存模型具备一些先天的“有序性”，即不需要通过任何手段就能够得到保证的有序性，这个通常也称为 happens-before 原则。如果两个操作的执行次序无法从happens-before原则推导出来，那么它们就不能保证它们的有序性，虚拟机可以随意地对它们进行重排序。

　　下面就来具体介绍下happens-before原则（先行发生原则）：

• 程序次序规则：一个线程内，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
• 锁定规则：一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁额lock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
• 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
• 线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个一个动作
• 线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生
• 线程终结规则：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行
• 对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始

1. 程序顺序规则： 一个线程中的每个操作，happens-before于该线程中的任意后续操作

2. 监视器锁规则：对一个线程的解锁，happens-before于随后对这个线程的加锁

3. volatile变量规则： 对一个volatile域的写，happens-before于后续对这个volatile域的读

4. 传递性：如果A happens-before B ,且 B happens-before C, 那么 A happens-before C

5. start()规则： 如果线程A执行操作ThreadB_start()(启动线程B) , 那么A线程的ThreadB_start()happens-before 于B中的任意操作

6. join()原则： 如果A执行ThreadB.join()并且成功返回，那么线程B中的任意操作happens-before于线程A从ThreadB.join()操作成功返回。

7. interrupt()原则： 对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程代码检测到中断事件的发生，可以通过Thread.interrupted()方法检测是否有中断发生

8. finalize()原则：一个对象的初始化完成先行发生于它的finalize()方法的开始

　　这8条原则摘自《深入理解Java虚拟机》。

　　这8条规则中，前4条规则是比较重要的，后4条规则都是显而易见的。

　　下面我们来解释一下前4条规则：

　　对于程序次序规则来说，我的理解就是一段程序代码的执行在单个线程中看起来是有序的。注意，虽然这条规则中提到“书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作”，这个应该是程序看起来执行的顺序是按照代码顺序执行的，因为虚拟机可能会对程序代码进行指令重排序。虽然进行重排序，但是最终执行的结果是与程序顺序执行的结果一致的，它只会对不存在数据依赖性的指令进行重排序。因此，在单个线程中，程序执行看起来是有序执行的，这一点要注意理解。事实上，这个规则是用来保证程序在单线程中执行结果的正确性，但无法保证程序在多线程中执行的正确性。

　　第二条规则也比较容易理解，也就是说无论在单线程中还是多线程中，同一个锁如果出于被锁定的状态，那么必须先对锁进行了释放操作，后面才能继续进行lock操作。

　　第三条规则是一条比较重要的规则，也是后文将要重点讲述的内容。直观地解释就是，如果一个线程先去写一个变量，然后一个线程去进行读取，那么写入操作肯定会先行发生于读操作。

　　第四条规则实际上就是体现happens-before原则具备传递性。

4. 可见性

可见性是指当一个线程修改了共享变量后，其他线程能够立即得知这个修改。通过之前对synchronzed内存语义进行了分析，当线程获取锁时会从主内存中获取共享变量的最新值，释放锁的时候会将共享变量同步到主内存中。从而，synchronized具有可见性。同样的在volatile分析中，会通过在指令中添加lock指令，以实现内存可见性。因此, volatile具有可见性

5. 总结

通过这篇文章，主要是比较了synchronized和volatile在三条性质：原子性，可见性，以及有序性的情况，归纳如下：

synchronized: 具有原子性，有序性和可见性；
volatile：具有有序性和可见性