线程安全的三大特性(原子性、可见性、有序性)、volatile关键字

线程安全的三大特性、volatile关键字

  • 一:线程安全的三大特性
    • 1、原子性
    • 2、可见性
    • 3、有序性
  • 二:volatile关键字
  • 三:Java和操作系统是怎么保证内存可见性的?

一:线程安全的三大特性

1、原子性

原子性是指操作是不可分的。其表现在于对于共享变量的某些操作,应该是不可分的,必须连续完成。

比如 a++ 操作,实际上 JVM 会分 3 步来完成。
①读取变量 a 的值
② a 的值+1
③将值赋予变量 a

这三个操作中任何一个操作过程中,a 的值被人篡改,那么都会出现我们不希望出现的结果。所以我们必须保证这是原子性的

所以想要实现 ++ 这样的原子操作就需要用到 synchronized 或者是 lock 进行加锁处理

如果是基础类的自增操作可以使用 AtomicInteger 这样的原子类来实现(其本质是利用了 CPU 级别的 的 CAS 指令来完成的)。

JDK 1.8中的原子类
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2、可见性

可见性是指一个线程对共享变量的修改,另外一个线程能够立刻看到;

我们在编写Java程序的时候,JVM为了提高程序的执行效率,会对我们的程序进行优化,把经常需要被访问的变量存储在我们的缓存当中,也就是CPU中的寄存器(Cache)里,而避免直接去内存里读。

CPU从内存里读数据,需要通过总线发送指令给内存。
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这个速度远远比不上让CPU直接从Cache里面读取数据。

但是在多线程的情况下,某一变量可能已经被别的线程改变了,但是该缓存却无法察觉到内存中的变化,从而造成我们的线程读取的数据跟内存里面的数据是不一致的(脏读
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通过上述描述我们可以知道:由于多核硬件架构的问题,CPU 高速缓存之间本身是不可见的,必须要实现缓存一致性协议。Java方面提供了两个关键字来保证多线程情况下共享变量的可见性方案(volatile、synchronized)。

3、有序性

有序性是指程序在执行的时候,程序的代码执行顺序和语句的顺序是一致的。
那为什么会出现不一致的情况呢?
这是由于重排序的缘故。

在执行程序时,为了提高性能,编译器和处理器常常会对指令做重排序;
重排序不会影响单线程的执行结果但是在并发情况下,可能会出现诡异的BUG

举例:
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Java 中可以使用 volatile 来保证顺序性,synchronized 和 Lock 也可以来保证有序性,和保证原子性的方式一样,通过同一段时间只能一个线程访问来实现的。

除了通过 volatile 关键字显式的保证顺序之外, JVM 还通过 happen-before 原则来隐式的保证顺序性。其中有一条就是适用于 volatile 关键字的,针对于 volatile 关键字的写操作肯定是在读操作之前,也就是说读取的值肯定是最新的。

二:volatile关键字

volatile 关键字是用来保证数据的可见性。

从上述可见性的描述中,我们可以知道 CPU 高速缓存之间本身是不可见的,那么线程在读取变量的时候就有可能会读到脏数据。而使用 volatile 关键字对变量进行修饰的话,对于读来说,会直接从内存里面去取数据而不会利用缓存;对于写来说,可以先写入缓存中但会立刻刷到内存中。但是volatile并不能保证我们操作的一个原子性(还是要通过加锁来实现),所以它是不能取代 synchronized 的。此外 volatile 关键字会阻止编译器对我们的程序进行优化,所以一般不建议使用 volatile 关键字。

总结:volatile关键字就是在多线程的操作当中,保证变量的一个可见性,避免多线程操作下读到脏数据

三:Java和操作系统是怎么保证内存可见性的?

Java使用 volatile、synchronized 关键字保证内存可见性。

操作系统:
1)总线Lock锁。锁定总线的开销比较大,在缓存更新内存后,其他的cpu都会被锁定住,禁止与内存通信,这样开销就大了。
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2)MESI协议。这是缓存一致性协议的具体实现,它通过嗅探技术识别哪个 CPU 想修改主内存缓存行信息,如果该缓存行是共享的,先将该缓存行刷新到主内存,再设置其他 CPU 的高速缓存的缓存行无效,但频繁的嗅探其他CPU 想修改的共享数据,也会导致总线风暴。

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