原子性、可见性、有序性，傻傻分不清

一、原子性

原子性指操作在CPU执行的过程中，不可中断，也不可在中途切换，要么执行完成、要么不执行。

简单的分析一下原子性问题，写一段大众代码，如下：

package com.nezha.thread;

/**
 * @Autor 哪吒
 * @Date 2022-09-10
 */
public class ThreadAtomicityTest {

    private int step;

    public int getStep(){
        return step;
    }

    public void increaseStep(){
        step++;
    };
}

看不出什么问题，都这么写啊。

使用JDK自带的javap查看一下程序的指令码：

D:\MyProject\target\classes\com\nezha\thread>javap -c ThreadAtomicityTest.class
Compiled from "ThreadAtomicityTest.java"
public class com.nezha.thread.ThreadAtomicityTest {
  public com.nezha.thread.ThreadAtomicityTest();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V
       4: return

  public int getStep();
    Code:
       0: aload_0
       1: getfield      #2                  // Field step:I
       4: ireturn

  public void increaseStep();
    Code:
       0: aload_0
       1: dup
       2: getfield      #2                  // Field step:I
       5: iconst_1
       6: iadd
       7: putfield      #2                  // Field step:I
      10: return
}

重点看一下increaseStep的指令码，大概包含三大步骤：

1. 将变量step从内存中加载到CPU的寄存器中；
2. 在CPU的寄存器中执行step++操作；
3. 将step++后的结果写入缓存（CPU缓存或计算机内存）；

线程切换可能发生在任何一条指令完成之后，而不是Java某条语句完成后。

假设线程1和线程2同时执行increaseStep()方法，在线程1执行过程中，CPU完成指令码的步骤①后发生了线程切换，此时线程2开始执行指令码的步骤①。
当两个线程都执行完整个increaseStep()方法后，得到的step的值是1而不是2。Why is this?

如图所示，线程1将step=0加载到CPU的寄存器后，发生了线程切换。此时还没有执行step++操作，也没有将操作的结果写入内存，所以，内存中的step值仍为0。

线程2将step=0加载到CPU的寄存器中，执行step++操作，并将执行后的结果写入内存。此时，CPU切换到线程1继续执行，在执行线程1中的step++后，线程1中的step仍为1，线程1将step=1写入内存，最终内存中的step为1。

如果在CPU中存在正在执行的线程，此时，发生了线程切换，就可能导致并发编程的原子性问题。

所以，造成原子性问题的根本原因是在线程执行过程中发生了线程切换。

二、可见性

可见性指一个线程修改了共享变量，其它线程能够立刻读到共享变量的最新值。

在并发编程中，有两种情况能实现当一个线程修改了共享变量后，其它线程立刻就能读到最新值。

1、串行

线程1和线程2是串行执行的，线程1写完数据后，线程2会从主内存中读取数据。线程1向主内存中写入数据对线程2是可见的，所以线程1和线程2之间不存在可见性问题。

2、单核CPU

在单核CPU中，多个线程之间也不会出现可见性问题。

在单核CPU中，只能有一个线程占用CPU资源来执行任务。当其它线程抢占CPU执行任务时，共享变量中的值一定是最新的。

3、多线程多CPU时的可见性问题

Java中，多个线程在读写内存中的共享变量时，会先把主内存中的共享变量数据复制到线程的工作内存中。每个线程在对数据进行读写操作时，都是直接操作自身的工作内存中的数据。由于每个线程都有自己的工作内存，所以线程1的数据对线程2是不可见的。线程1修改了数据，线程2不一定能够立刻读到修改后的值，这就造成了可见性问题。

4、看下面一段代码，猜猜看删除结果

package com.guor.demo.sync;

public class SynchronizedTest {

    private static int count = 0;

    public static void  incremetCount(){
        count++;
    }

    public static int increment() throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                incremetCount();
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                incremetCount();
            }
        });

        // 启动线程
        thread1.start();
        thread2.start();

        thread1.join();
        thread2.join();

        return count;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println(SynchronizedTest.increment());
    }
}

控制台输出：


为什么呢？

因为多个线程同时调用incremetCount()方法，出现了线程安全问题。

所以，造成可见性问题的根本原因是CPU缓存机制。

三、有序性

有序性指程序能够按照编写的代码顺序执行，不会发生跳过代码行的情况，也不会出现跳过CPU指令的情况。

那么什么时候会出现有序性问题呢？

为了提高程序的执行性能和编译性能，计算机和编译器有时候会修改程序的执行顺序。

在Java中一个典型的案例就是使用双重检测机制来创建单例对象。

package com.nezha.thread;

/**
 * 线程不安全的单例模式
 */
public class SingleInstance {

    private static SingleInstance instance;

    public static SingleInstance getInstance(){
        if(instance == null){
            synchronized (SingleInstance.class){
                if(instance == null){
                    instance = new SingleInstance();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

如果编译器和解释器不对上面的代码进行优化，也不改变程序的执行顺序，则代码的执行流程如下图所示：

如上图所示，假如线程1和线程2同时调用getInstance()方法获取对象实例，两个线程会同时发现instance为空，同时对SingleInstance.class加锁，而JVM会保证只有一个线程获取到锁，这里我们假设线程1获取到锁，线程2因为未获取到锁而进行等待。接下来，线程1再次判断instance对象为空，从而创建instance对象的实例，然后释放锁。此时，线程2被唤醒，再次尝试获取锁，获取锁成功后，线程2检查此时的instance对象已经不再是空，线程2不再创建instance对象。

上述流程看起来没有什么问题，但是，在高并发、大流量的场景下获取instance对象时，使用new关键字创建SingleInstance类的实例对象时，会因为编译器或解释器对程序的优化而出现问题。也就是说，问题的根源在于如下代码：

```instance = new SingleInstance();````

对于上面的代码包含三个步骤：

① 分配内存空间
② 初始化对象
③ 将instance引用指向内存空间

正常执行的CPU指令顺序为①②③，CPU对程序进行重排序后的执行顺序是①③②，此时就会出现问题。

如上图所示，当线程1判断instance为空时，为对象分配内存空间，并将instance指向内存空间。此时还没有进行对象的初始化，发生了线程切换，线程2获取到CPU资源执行任务。线程2判断此时的instance不为空，则不再执行创建对象的操作，直接返回未初始化的instance对象。

所以，造成有序性问题的根本原因是编译器对程序进行优化，从而可能造成有序性问题。

四、解决方案

在Java中解决原子性问题的方案包括synchronized、Lock、ReentranLock、ReadWriteLock、CAS操作、Java中提供的原子类等。

解决可见性和有序性问题，可以禁用CPU缓存和编译器优化。

JVM提供了禁用缓存和编译优化的方法，包括volatile关键字、synchronized、final关键字以及Java内存模型中的Happens-Before原则。

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