并发线程特性-可见性和有序性

2 可见性

2.1 什么是可见性

可见性问题是基于CPU位置出现的，CPU处理速度非常快，相对CPU来说，去主内存获取数据这个事情太慢了，CPU就提供了
L1，L2，L3的三级缓存，每次去主内存拿完数据后，就会存储到CPU的三级缓存，每次去三级缓存拿数据，效率肯定会提升。
这就带来了问题，现在CPU都是多核，每个线程的工作内存（CPU三级缓存）都是独立的，会告知每个线程中做修改时，只改自
己的工作内存，没有及时的同步到主内存，导致数据不一致问题。
[image]
可见性问题的代码逻辑

private static boolean flag = true;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
while (flag) {
// ....
}
 System.out.println("t1线程结束");
});
t1.start();
Thread.sleep(10);
flag = false;
System.out.println("主线程将flag改为false");
}

2.2 解决可见性的方式

2.2.1 volatile

volatile是一个关键字，用来修饰成员变量。
如果属性被volatile修饰，相当于会告诉CPU，对当前属性的操作，不允许使用CPU的缓存，必须去和主内存操作
volatile的内存语义：
● volatile属性被写：当写一个volatile变量，JMM会将当前线程对应的CPU缓存及时的刷新到主内存中
● volatile属性被读：当读一个volatile变量，JMM会将对应的CPU缓存中的内存设置为无效，必须去主内存中重新读取共享变
量
其实加了volatile就是告知CPU，对当前属性的读写操作，不允许使用CPU缓存，加了volatile修饰的属性，会在转为汇编之后
后，追加一个lock的前缀，CPU执行这个指令时，如果带有lock前缀会做两个事情：
● 将当前处理器缓存行的数据写回到主内存
● 这个写回的数据，在其他的CPU内核的缓存中，直接无效。
总结：volatile就是让CPU每次操作这个数据时，必须立即同步到主内存，以及从主内存读取数据。

private volatile static boolean flag = true;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
while (flag) {
// ....
}
System.out.println("t1线程结束");
});
t1.start();
Thread.sleep(10);
flag = false;
System.out.println("主线程将flag改为false");
}

2.2.2 synchronized

synchronized也是可以解决可见性问题的，synchronized的内存语义。
如果涉及到了synchronized的同步代码块或者是同步方法，获取锁资源之后，将内部涉及到的变量从CPU缓存中移除，必须去主
内存中重新拿数据，而且在释放锁之后，会立即将CPU缓存中的数据同步到主内存。

private static boolean flag = true;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
while (flag) {
synchronized (MiTest.class){
//...
}
System.out.println(111);
}
System.out.println("t1线程结束");
});
t1.start();
Thread.sleep(10);
flag = false;
System.out.println("主线程将flag改为false");
}

2.2.3 Lock

Lock锁保证可见性的方式和synchronized完全不同，synchronized基于他的内存语义，在获取锁和释放锁时，对CPU缓存做一个
同步到主内存的操作。
Lock锁是基于volatile实现的。Lock锁内部再进行加锁和释放锁时，会对一个由volatile修饰的state属性进行加减操作。
如果对volatile修饰的属性进行写操作，CPU会执行带有lock前缀的指令，CPU会将修改的数据，从CPU缓存立即同步到主内存，
同时也会将其他的属性也立即同步到主内存中。还会将其他CPU缓存行中的这个数据设置为无效，必须重新从主内存中拉取。

private static boolean flag = true;
private static Lock lock = new ReentrantLock();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
while (flag) {
lock.lock();
try{
//...
}finally {
lock.unlock();
}
}
System.out.println("t1线程结束");
});
t1.start();
Thread.sleep(10);
flag = false;
System.out.println("主线程将flag改为false");
}

2.2.4 final

final修饰的属性，在运行期间是不允许修改的，这样一来，就间接的保证了可见性，所有多线程读取final属性，值肯定是一样。
final并不是说每次取数据从主内存读取，他没有这个必要，而且final和volatile是不允许同时修饰一个属性的
final修饰的内容已经不允许再次被写了，而volatile是保证每次读写数据去主内存读取，并且volatile会影响一定的性能，就不需要同时修饰。

3 有序性

3.1 什么是有序性

在Java中，.java文件中的内容会被编译，在执行前需要再次转为CPU可以识别的指令，CPU在执行这些指令时，为了提升执行
效率，在不影响最终结果的前提下（满足一些要求），会对指令进行重排。
指令乱序执行的原因，是为了尽可能的发挥CPU的性能。
Java中的程序是乱序执行的。
Java程序验证乱序执行效果：

static int a,b,x,y;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 for (int i = 0; i < Integer.MAX_VALUE; 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();
if(x == 0 && y == 0){
System.out.println("第" + i + "次，x = "+ x + ",y = " + y);
}
}
}

单例模式由于指令重排序可能会出现问题：
线程可能会拿到没有初始化的对象，导致在使用时，可能由于内部属性为默认值，导致出现一些不必要的问题

private static volatile MiTest test;
private MiTest(){}
public static MiTest getInstance(){
// B
if(test == null){
synchronized (MiTest.class){
if(test == null){
// A , 开辟空间，test指向地址，初始化
test = new MiTest();
}
}
}
return test;
}

3.2 as-if-serial

as-if-serial语义：
不论指定如何重排序，需要保证单线程的程序执行结果是不变的。
而且如果存在依赖的关系，那么也不可以做指令重排。

// 这种情况肯定不能做指令重排序
int i = 0;
i++;
// 这种情况肯定不能做指令重排序
int j = 200;
j * 100;
j + 100;
// 这里即便出现了指令重排，也不可以影响最终的结果，20100

3.3 happens-before

具体规则： 　　

1. 单线程happen-before原则：在同一个线程中，书写在前面的操作happen-before后面的操作。 2. 锁的happen-before原则：同一个锁的unlock操作happen-before此锁的lock操作。 　　

3. volatile的happen-before原则： 对一个volatile变量的写操作happen-before对此变量的任意操作。 　　

4. happen-before的传递性原则： 如果A操作 happen-before B操作，B操作happen-before C操作，那么A操作happen-before C操作。 　　

5. 线程启动的happen-before原则：同一个线程的start方法happen-before此线程的其它方法。 　6. 线程中断的happen-before原则：对线程interrupt方法的调用happen-before被中断线程的检测到中断发送的代码。 　　

7. 线程终结的happen-before原则：线程中的所有操作都happen-before线程的终止检
测。 　　

8. 对象创建的happen-before原则：一个对象的初始化完成先于他的finalize方法调用。 JMM只有在不出现上述8中情况时，才不会触发指令重排效果。
不需要过分的关注happens-before原则，只需要可以写出线程安全的代码就可以了。

3.4 volatile

如果需要让程序对某一个属性的操作不出现指令重排，除了满足happens-before原则之外，还可以基于volatile修饰属性，从而对
这个属性的操作，就不会出现指令重排的问题了。
volatile如何实现的禁止指令重排？
内存屏障概念。将内存屏障看成一条指令。
会在两个操作之间，添加上一道指令，这个指令就可以避免上下执行的其他指令进行重排序。