多线程之线程安全与非线程安全

线程是什么

进程

进程是一个具有独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。它可以申请和拥有系统资源，是一个动态的概念，是一个活动的实体。它不只是程序的代码，还包括当前的活动，通过程序计数器的值和处理寄存器的内容来表示。
一个进程包括由操作系统分配的内存空间，包含一个或多个线程。一个线程不能独立的存在，它必须是进程的一部分。一个进程一直运行，直到所有的非守护线程都结束运行后才能结束。
一个正在操作系统中运行的exe程序可以理解为一个进程。

线程

线程可以理解成是在进程中独立运行的子任务。比如，QQ.exe运行时就有很多的子任务在同时运行。再如，好友视频线程、下载视频线程、传输数据线程、发送表情线程等，这些不同的任务或者说功能都可以同时运行，其中每一项任务完全可以理解成是“线程”在工作，传文件、听音乐、发送图片等功能都有对应的线程在后台默默地运行。
多线程是这样一种机制，它允许在程序中并发执行多个指令流，每个指令流都称为一个线程，彼此间互相独立。
线程又称为轻量级进程，它和进程一样拥有独立的执行控制，由操作系统负责调度，区别在于线程没有独立的存储空间，而是和所属进程中的其它线程共享一个存储空间，这使得线程间的通信远较进程简单。
多个线程的执行是并发的，也就是在逻辑上“同时”，而不管是否是物理上的“同时”。如果系统只有一个CPU，那么真正的“同时”是不可能的，但是由于CPU的速度非常快，用户感觉不到其中的区别，因此我们也不用关心它，只需要设想各个线程是同时执行即可。

多线程出现的原因

为了解决负载均衡问题，充分利用CPU资源，为了提高CPU的使用率，采用多线程的方式去同时完成几件事情而不互相干扰，为了处理大量的IO操作时或处理的情况需要花费大量的时间等等，比如：读写文件、视频图像的采集、处理、显示、保存等。

使用线程的优点

1. 使用线程可以把占据时间长的程序中的任务放到后台去处理；
2. 用户界面更加吸引人，这样比如用户点击了一个按钮去触发某件事件的处理，可以弹出一个进度条来显示处理的进度；
3. 程序的运行效率可能会提高；
4. 在一些等待的任务实现上如用户输入、文件读取和网络收发数据等线程就比较有用了。

使用线程的缺点

1. 如果有大量的线程，会影响性能，因为操作系统需要在它们之间切换；
2. 更多的线程需要更多的内存空间；
3. 线程中止需要考虑对程序运行的影响；
4. 通常块模型数据是在多个线程间共享的，需要防止线程死锁情况的发生。

在Java中使用多线程

我们不妨设想，为了创建一个新的线程，我们需要做些什么？很显然，我们必须指明这个线程所要执行的代码，而这就是在Java中实现多线程我们所需要做的一切！Java是如何做到这一点的？通过类！
作为一个完全面向对象的语言，Java提供了类java.lang.Thread来方便多线程编程，这个类提供了大量的方法来方便我们控制自己的各个线程。
那么如何提供给 Java 我们要线程执行的代码呢？让我们来看一看 Thread 类。Thread 类最重要的方法是run()，它为Thread类的方法start()所调用，提供我们的线程所要执行的代码。为了指定我们自己的代码，只需要覆盖它！
方法一：继承 Thread 类，覆盖方法 run()，我们在创建的 Thread 类的子类中重写 run() ，加入线程所要执行的代码即可。下面是一个例子：

public class MyThread extends Thread {

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("MyThread:" + Thread.currentThread().getName());
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("main:" + Thread.currentThread().getName());
        new MyThread().start();
    }
}

这种方法简单明了，符合大家的习惯，但是，它也有一个很大的缺点，那就是如果我们的类已经从一个类继承，则无法再继承 Thread 类，这时如果我们又不想建立一个新的类。
我们不妨来探索一种新的方法：我们不创建Thread类的子类，而是直接使用它，那么我们只能将我们的方法作为参数传递给 Thread 类的实例，有点类似回调函数。但是 Java 没有指针，我们只能传递一个包含这个方法的类的实例。
那么如何限制这个类必须包含这一方法呢？当然是使用接口！（虽然抽象类也可满足，但是需要继承，而我们之所以要采用这种新方法，不就是为了避免继承带来的限制吗？）
Java 提供了接口 java.lang.Runnable 来支持这种方法。
方法二：实现 Runnable 接口
Runnable接口只有一个方法run()，我们声明自己的类实现Runnable接口并提供这一方法，将我们的线程代码写入其中，就完成了这一部分的任务。但是Runnable接口并没有任何对线程的支持，我们还必须创建Thread类的实例，这一点通过Thread类的构造函数public Thread(Runnable target);来实现。下面是一个例子：

public class MyRunnable implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("MyThread" + Thread.currentThread().getName());
    }

    public static void main(String args[]) {
        System.out.println("main:" + Thread.currentThread().getName());
        new Thread(new MyRunnable()).start();
    }
}

严格地说，创建Thread子类的实例也是可行的，但是必须注意的是，该子类必须没有覆盖 Thread 类的 run 方法，否则该线程执行的将是子类的 run 方法，而不是我们用以实现Runnable 接口的类的 run 方法，对此大家不妨试验一下。
使用 Runnable 接口来实现多线程使得我们能够在一个类中包容所有的代码，有利于封装，它的缺点在于，我们只能使用一套代码，若想创建多个线程并使各个线程执行不同的代码，则仍必须额外创建类，如果这样的话，在大多数情况下也许还不如直接用多个类分别继承 Thread 来得紧凑。
综上所述，两种方法各有千秋，大家可以灵活运用。

线程安全与非线程安全

案例一

public class MyThread1 {
    private static final int THREADS_COUNT = 20;
    private static int count = 0;

    private void add() {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            count++;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread[] threads = new Thread[THREADS_COUNT];
        for (int i = 0; i < THREADS_COUNT; i++) {
            threads[i] = new Thread(() -> new MyThread1().add());
            threads[i].start();
        }
        for (Thread thread : threads) {
            thread.join();
        }
        System.out.println(count);
    }
}

运行结果

19264

18970

19692

可以看到每次运行结果都是不一样的，而且都是比20000小的数，这样就产生了非线程安全问题。
这个例子中20个线程都要操作count这个变量，这样的变量是共享的、可变的。所谓共享，是指一个变量可以被多个线程访问；所谓可变，是指变量的值在其生命周期内可以改变。
非线程安全主要是指多个线程对同一个对象中的同一个实例变量进行操作时会出现值被更改、值不同步的情况，进而影响程序的执行流程。非线程安全就是不提供数据访问保护，有可能出现多个线程先后更改数据造成所得到的数据是脏数据。如果多个线程共同访问1个对象中的实例变量，则有可能出现非线程安全问题。
在JVM中，i++操作要分成3步：
（1） 取得原有i值；
（2） 计算i+1；
（3） 对i进行赋值。
在这3个步骤中，如果有多个线程同时访问，那么一定会出现非线程安全问题。
产生非线程安全问题，可能的一种情况是A线程在进入方法后，拿到了count的值，还没有改变count的值的时候，结果线程B也进来的，那么导致线程A和线程B拿到的count值是一样的。

案例二

public class MyThread2 {

    private static void threadMethod(int j) {
        int i = 1;
        j = j + i;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + j);
    }

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> threadMethod(1), "A").start();
        new Thread(() -> threadMethod(2), "B").start();
        new Thread(() -> threadMethod(3), "C").start();
        new Thread(() -> threadMethod(4), "D").start();
        new Thread(() -> threadMethod(5), "E").start();
    }
}

运行结果

A2
B3
C4
D5
E6

代码一共创建了5个线程，每个线程都有各自的i和j变量，自己计算自己的j变量的值。这种情况就是变量不共享，此示例不存在多个线程访问同一个实例变量的情况。通过多次运行可见，方法中的变量不存在非线程安全问题，是线程安全的。
自定义线程类中的实例变量针对其他线程可以有共享与不共享之分，这在多个线程之间进行交互时是很重要的一个技术点。
如果代码所在的进程中有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码，如果每次运行结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他的变量的值也和预期是一样的，就是线程安全的。线程安全不会出现数据不一致或者数据污染。
如果是方法内部的私有变量，则不存在非线程安全问题。可见，方法中的变量不存在非线程安全问题，永远是线程安全的，这是方法内部的变量是私有的特性造成的。

案例三

public class MyThread3 {
    private static final int THREADS_COUNT = 20;
    private static int count = 0;

    private synchronized void add() {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            count++;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread[] threads = new Thread[THREADS_COUNT];
        MyThread3 myThread = new MyThread3();
        for (int i = 0; i < THREADS_COUNT; i++) {
            threads[i] = new Thread(() -> myThread.add());
            threads[i].start();
        }
        for (Thread thread : threads) {
            thread.join();
        }
        System.out.println(count);
    }
}

通过在add方法前加上synchronized关键字，使多个线程在执行add方法时，以排队的方式进行处理。当一个线程调用add前，先判断add方法有没有被上锁，如果上锁，说明有其他线程正在调用add方法，必须等其他线程对add方法调用结束后才可以执行add方法。这样就实现了排队调用add方法的目的，也就达到了顺序对count加1的效果了，运行输出的永远是20000。
synchronized可以在任何对象或方法上加锁，而加锁的这段代码称为“互斥区”或“临界区”。
当一个线程想要执行同步方法里面的代码时，线程首先尝试去拿这把锁，如果能够拿到这把锁，那么这个线程就可以执行synchronized里面的代码。如果不能拿到这把锁，那么这个线程就会不断地尝试那这把锁，直到能够拿到为止，而且是有多个线程同时去争抢这把锁。
方法一旦执行，就会独占该锁，一直到从该方法返回时才将锁释放，此后被阻塞的线程方能获得该锁，从而重新进入可执行状态。这种机制确保了同一时刻对于每一个类的实例，其所有声明为synchronized的成员函数中之多只有一个处于可执行状态，从而有效避免了类成员变量的访问冲突。

案例四

public class MyThread4 {
    private static final int THREADS_COUNT = 20;
    private static int count = 0;

    private synchronized void add() {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            count++;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread[] threads = new Thread[THREADS_COUNT];
        for (int i = 0; i < THREADS_COUNT; i++) {
            threads[i] = new Thread(() -> new MyThread4().add());
            threads[i].start();
        }
        for (Thread thread : threads) {
            thread.join();
        }
        System.out.println(count);
    }
}

多个线程分别访问同一个类的多个不同实例的相同名称的同步方法，这个案例运行结果发现又出现了案例1的情况。
从运行结果来看，虽然在add中使用了synchronized关键字，但还是出现了非线程安全问题，为什么是这样的结果呢？
关键字synchronized取得的锁都是对象锁，而不是把一段代码或方法（函数）当作锁，所以在这个案例中，哪个线程先执行带synchronized关键字的方法，哪个线程就持有该方法所属对象的锁Lock，那么其他线程智能呈等待状态，前提是多个线程访问的是同一个对象。
但如果多个线程访问多个对象，则JVM会创建多个锁，这个案例就创建了20个MyThread3.java类的对象，所以就会产生出20个锁。

案例五

public class MyThread5 {
    private static final int THREADS_COUNT = 20;
    private static int count = 0;

    private void add(int j) {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            synchronized (this) {
                count++;
            }
        }
        j++;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread[] threads = new Thread[THREADS_COUNT];
        MyThread5 myThread = new MyThread5();
        for (int i = 0; i < THREADS_COUNT; i++) {
            threads[i] = new Thread(() -> myThread.add(1));
            threads[i].start();
        }
        for (Thread thread : threads) {
            thread.join();
        }
        System.out.println(count);
    }
}

用关键字synchronized声明方法在某些情况下是有弊端的，比如A线程调用同步方法执行一个长时间的任务，那么B线程则必须等待比较长时间。这种情况当然可以通过将访问类成员变量的代码放到专门的方法中，将其声明为 synchronized ，并在主方法中调用来解决这一问题，但是 Java 为我们提供了更好的解决办法，那就是 synchronized 块。
通过 synchronized关键字来声明synchronized 块。语法如下：
synchronized(syncObject){
//允许访问控制的代码
}
synchronized 块是这样一个代码块，其中的代码必须获得对象 syncObject （可以是类实例或类）的锁方能执行，一段时间内只能有一个线程被执行，另一个线程必须等待当前线程执行完这个代码块以后才能执行该代码块。
由于可以针对任意代码块，且可任意指定上锁的对象，故灵活性较高。
同步是一种高开销的操作，因此应该尽量减少同步的内容。 通常没有必要同步整个方法，使用synchronized代码块同步关键代码即可。 不在synchronized块中就是异步执行，在synchronized块中就是同步执行。
在Java代码中使用synchronized可是使用在代码块和方法中，根据synchronized用的位置可以有这些使用场景：

分类	具体分类	被锁的对象	伪代码
方法	实例方法	类的实例对象	public synchronized void method() {……}
方法	静态方法	类对象	public static synchronized void method() {……}
代码块	实例对象	类的实例对象	synchronized(this){}
代码块	class对象	类对象	synchronized(SynchronizedDemo.class){}
代码块	任意实例对象Object	实例对象Object	String lock = “”;synchronized(lock){}

synchronized可以用在方法上也可以使用在代码块中，其中方法是实例方法和静态方法分别锁的是该类的实例对象和该类的对象。而使用在代码块中也可以分为三种，具体的可以看上面的表格。这里的需要注意的是：如果锁的是类对象的话，尽管new多个实例对象，但他们仍然是属于同一个类依然会被锁住，即线程之间保证同步关系。
使用synchronized本质的使用互斥来实现线程间的同步，保证共享数据在同一时刻只被一个线程使用。除了synchronized，concurrent包提供了大量同步控制工具，如ReentrantLock重入锁、ReadWriteLock读写锁、Semaphore信号量、CountDownLatch与CyclicBarrier同步屏障、LockSupport阻塞原语等。

案例六

public class MyThread6 {
    private static final int THREADS_COUNT = 20;
    private static volatile int count = 0;

    private void add() {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            count++;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread[] threads = new Thread[THREADS_COUNT];
        MyThread6 myThread = new MyThread6();
        for (int i = 0; i < THREADS_COUNT; i++) {
            threads[i] = new Thread(() -> myThread.add());
            threads[i].start();
        }
        for (Thread thread : threads) {
            thread.join();
        }
        System.out.println(count);
    }
}

volatile关键字虽然从字面上理解起来比较简单，但是要用好不是一件容易的事情。由于volatile关键字是与Java的内存模型有关的，因此在讲述volatile关键之前，我们先来了解一下与内存模型相关的概念和知识，然后分析了volatile关键字的实现原理，最后给出了几个使用volatile关键字的场景。

内存模型的相关概念

计算机在执行程序时，每条指令都是在CPU中执行的，而执行指令过程中，势必涉及到数据的读取和写入。由于程序运行过程中的临时数据是存放在主存（物理内存）当中的，这时就存在一个问题，由于CPU执行速度很快，而从内存读取数据和向内存写入数据的过程跟CPU执行指令的速度比起来要慢的多，因此如果任何时候对数据的操作都要通过和内存的交互来进行，会大大降低指令执行的速度。因此在CPU里面就有了高速缓存。
也就是，当程序在运行过程中，会将运算需要的数据从主存复制一份到CPU的高速缓存当中，那么CPU进行计算时就可以直接从它的高速缓存读取数据和向其中写入数据，当运算结束之后，再将高速缓存中的数据刷新到主存当中。举个简单的例子，比如下面的这段代码：

i = i + 1;

当线程执行这个语句时，会先从主存当中读取i的值，然后复制一份到高速缓存当中，然后CPU执行指令对i进行加1操作，然后将数据写入高速缓存，最后将高速缓存中i最新的值刷新到主存当中。
这个代码在单线程中运行是没有任何问题的，但是在多线程中运行就会有问题了。在多核CPU中，每条线程可能运行于不同的CPU中，因此每个线程运行时有自己的高速缓存（对单核CPU来说，其实也会出现这种问题，只不过是以线程调度的形式来分别执行的。）
我们以多核CPU为例：比如同时有2个线程执行这段代码，假如初始时i的值为0，那么我们希望两个线程执行完之后i的值变为2。但是事实会是这样吗？
可能存在下面一种情况：初始时，两个线程分别读取i的值存入各自所在的CPU的高速缓存当中，然后线程1进行加1操作，然后把i的最新值1写入到内存。此时线程2的高速缓存当中i的值还是0，进行加1操作之后，i的值为1，然后线程2把i的值写入内存。
最终结果i的值是1，而不是2。这就是著名的缓存一致性问题。通常称这种被多个线程访问的变量为共享变量。
也就是说，如果一个变量在多个CPU中都存在缓存（一般在多线程编程时才会出现），那么就可能存在缓存不一致的问题。
为了解决缓存不一致性问题，通常来说有以下2种解决方法：
1）通过在总线加LOCK#锁的方式
2）通过缓存一致性协议
这2种方式都是硬件层面上提供的方式。
在早期的CPU当中，是通过在总线上加LOCK#锁的形式来解决缓存不一致的问题。因为CPU和其他部件进行通信都是通过总线来进行的，如果对总线加LOCK#锁的话，也就是说阻塞了其他CPU对其他部件访问（如内存），从而使得只能有一个CPU能使用这个变量的内存。比如上面例子中 如果一个线程在执行 i = i +1，如果在执行这段代码的过程中，在总线上发出了LCOK#锁的信号，那么只有等待这段代码完全执行完毕之后，其他CPU才能从变量i所在的内存读取变量，然后进行相应的操作。这样就解决了缓存不一致的问题。
但是上面的方式会有一个问题，由于在锁住总线期间，其他CPU无法访问内存，导致效率低下。
所以就出现了缓存一致性协议。最出名的就是Intel 的MESI协议，MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。它核心的思想是：当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态，因此当其他CPU需要读取这个变量时，发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的，那么它就会从内存重新读取。

Java内存模型

在前面谈到了一些关于内存模型以及并发编程中可能会出现的一些问题。下面我们来看一下Java内存模型，研究一下Java内存模型为我们提供了哪些保证以及在java中提供了哪些方法和机制来让我们在进行多线程编程时能够保证程序执行的正确性。
在Java虚拟机规范中试图定义一种Java内存模型（Java Memory Model，JMM）来屏蔽各个硬件平台和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。那么Java内存模型规定了哪些东西呢，它定义了程序中变量的访问规则，往大一点说是定义了程序执行的次序。注意，为了获得较好的执行性能，Java内存模型并没有限制执行引擎使用处理器的寄存器或者高速缓存来提升指令执行速度，也没有限制编译器对指令进行重排序。也就是说，在java内存模型中，也会存在缓存一致性问题和指令重排序的问题。
Java内存模型规定所有的变量都是存在主存当中（类似于前面说的物理内存），每个线程都有自己的工作内存（类似于前面的高速缓存）。线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接对主存进行操作。并且每个线程不能访问其他线程的工作内存。
举个简单的例子：在java中，执行下面这个语句：

i  = 10;

执行线程必须先在自己的工作线程中对变量i所在的缓存进行赋值操作，然后再写入主存当中。而不是直接将数值10写入主存当中。

深入剖析volatile关键字

在前面讲述了很多东西，其实都是为讲述volatile关键字作铺垫，那么接下来我们就进入主题。

volatile关键字的两层语义

一旦一个共享变量被volatile修饰之后，那么就具备了两层语义：

1. 保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。
2. 禁止进行指令重排序。

先看一段代码，假如线程1先执行，线程2后执行：

//线程1
boolean stop = false;
while(!stop){
    doSomething();
}
 
//线程2
stop = true;

这段代码是很典型的一段代码，很多人在中断线程时可能都会采用这种标记办法。但是事实上，这段代码会完全运行正确么？即一定会将线程中断么？不一定，也许在大多数时候，这个代码能够把线程中断，但是也有可能会导致无法中断线程（虽然这个可能性很小，但是只要一旦发生这种情况就会造成死循环了）。
下面解释一下这段代码为何有可能导致无法中断线程。在前面已经解释过，每个线程在运行过程中都有自己的工作内存，那么线程1在运行的时候，会将stop变量的值拷贝一份放在自己的工作内存当中。
那么当线程2更改了stop变量的值之后，但是还没来得及写入主存当中，线程2转去做其他事情了，那么线程1由于不知道线程2对stop变量的更改，因此还会一直循环下去。
但是用volatile修饰之后就变得不一样了：

1. 使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存；
2. 使用volatile关键字的话，当线程2进行修改时，会导致线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效（反映到硬件层的话，就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效）；
3. 由于线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效，所以线程1再次读取变量stop的值时会去主存读取。

那么在线程2修改stop值时（当然这里包括2个操作，修改线程2工作内存中的值，然后将修改后的值写入内存），会使得线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效，然后线程1读取时，发现自己的缓存行无效，它会等待缓存行对应的主存地址被更新之后，然后去对应的主存读取最新的值。
那么线程1读取到的就是最新的正确的值。

volatile能保证原子性吗？

从上面知道volatile关键字保证了操作的可见性，但是volatile能保证对变量的操作是原子性吗？
对于案例6，也许很多人认为是20000。但是事实上运行它会发现每次运行结果都不一致，都是一个小于20000的数字。
可能有人就会有疑问，上面是对变量count进行自增操作，由于volatile保证了可见性，那么在每个线程中对count自增完之后，在其他线程中都能看到修改后的值啊，所以有20个线程分别进行了1000次操作，那么最终count的值应该是1000*20=20000。
这里面就有一个误区了，volatile关键字能保证可见性没有错，但是上面的程序错在没能保证原子性。可见性只能保证每次读取的是最新的值，但是volatile没办法保证对变量的操作的原子性。
在前面已经提到过，自增操作是不具备原子性的，它包括读取变量的原始值、进行加1操作、写入工作内存。那么就是说自增操作的三个子操作可能会分割开执行，就有可能导致下面这种情况出现：
假如某个时刻变量count的值为10，线程1对变量进行自增操作，线程1先读取了变量count的原始值，然后线程1被阻塞了；然后线程2对变量进行自增操作，线程2也去读取变量count的原始值，由于线程1只是对变量count进行读取操作，而没有对变量进行修改操作，所以不会导致线程2的工作内存中缓存变量count的缓存行无效，所以线程2会直接去主存读取count的值，发现count的值时10，然后进行加1操作，并把11写入工作内存，最后写入主存。然后线程1接着进行加1操作，由于已经读取了count的值，注意此时在线程1的工作内存中count的值仍然为10，所以线程1对count进行加1操作后inc的值为11，然后将11写入工作内存，最后写入主存。
那么两个线程分别进行了一次自增操作后，count只增加了1。
解释到这里，可能有人会有疑问，前面不是保证一个变量在修改volatile变量时，会让缓存行无效吗？然后其他线程去读就会读到新的值，对，这个没错。这个就是上面的happens-before规则中的volatile变量规则，但是要注意，线程1对变量进行读取操作之后，被阻塞了的话，并没有对count值进行修改。然后虽然volatile能保证线程2对变量count的值读取是从内存中读取的，但是线程1没有进行修改，所以线程2根本就不会看到修改的值。
根源就在这里，自增操作不是原子性操作，而且volatile也无法保证对变量的任何操作都是原子性的。

volatile能保证有序性吗？

在前面提到volatile关键字能禁止指令重排序，所以volatile能在一定程度上保证有序性。
volatile关键字禁止指令重排序有两层意思：

1. 当程序执行到volatile变量的读操作或者写操作时，在其前面的操作的更改肯定全部已经进行，且结果已经对后面的操作可见；在其后面的操作肯定还没有进行；
2. 在进行指令优化时，不能将在对volatile变量访问的语句放在其后面执行，也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执行。
   举个简单的例子：

//x、y为非volatile变量
//flag为volatile变量

x = 2;        //语句1
y = 0;        //语句2
flag = true;  //语句3
x = 4;         //语句4
y = -1;       //语句5

由于flag变量为volatile变量，那么在进行指令重排序的过程的时候，不会将语句3放到语句1、语句2前面，也不会讲语句3放到语句4、语句5后面。但是要注意语句1和语句2的顺序、语句4和语句5的顺序是不作任何保证的。
并且volatile关键字能保证，执行到语句3时，语句1和语句2必定是执行完毕了的，且语句1和语句2的执行结果对语句3、语句4、语句5是可见的。

使用volatile关键字的场景

synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码，那么就会很影响程序执行效率，而volatile关键字在某些情况下性能要优于synchronized，但是要注意volatile关键字是无法替代synchronized关键字的，因为volatile关键字无法保证操作的原子性。通常来说，使用volatile必须具备以下2个条件：

1. 对变量的写操作不依赖于当前值
2. 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

事实上，我的理解就是上面的2个条件需要保证操作是原子性操作，才能保证使用volatile关键字的程序在并发时能够正确执行。

案例七

public class MyThread7 extends Thread {
    private static final int THREADS_COUNT = 20;
    private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    private void add() {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            count.incrementAndGet();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread[] threads = new Thread[THREADS_COUNT];
        for (int i = 0; i < THREADS_COUNT; i++) {
            threads[i] = new Thread(() -> new MyThread7().add());
            threads[i].start();
        }
        for (Thread thread : threads) {
            thread.join();
        }
        System.out.println(count);
    }
}

需要使用线程同步的根本原因在于对普通变量的操作不是原子的。
那么什么是原子操作呢？
原子操作就是指将读取变量值、修改变量值、保存变量值看成一个整体来操作即这几种行为要么同时完成，要么都不完成。
在java的util.concurrent.atomic包中提供了创建了原子类型变量的工具类，使用该类可以简化线程同步。
其中AtomicInteger 可以用原子方式更新int的值，可用在应用程序中(如以原子方式增加的计数器)，但不能用于替换Integer；可扩展Number，允许那些处理机遇数字类的工具和实用工具进行统一访问。
AtomicInteger类常用方法：
AtomicInteger(int initialValue) ：创建具有给定初始值的新的AtomicInteger
addAddGet(int dalta)：以原子方式将给定值与当前值相加
get()：获取当前值
原子操作主要有：

1. 对于引用变量和大多数原始变量(long和double除外)的读写操作；
2. 对于所有使用volatile修饰的变量(包括long和double)的读写操作。

并发编程中的三个概念

原子性、可见性、有序型概述

在并发编程中，我们通常会遇到以下三个问题：原子性问题，可见性问题，有序性问题。

原子性

原子性：即一个操作或者多个操作要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。
一个很经典的例子就是银行账户转账问题：
比如从账户A向账户B转1000元，那么必然包括2个操作：从账户A减去1000元，往账户B加上1000元。
试想一下，如果这2个操作不具备原子性，会造成什么样的后果。假如从账户A减去1000元之后，操作突然中止。然后又从B取出了500元，取出500元之后，再执行 往账户B加上1000元 的操作。这样就会导致账户A虽然减去了1000元，但是账户B没有收到这个转过来的1000元。
所以这2个操作必须要具备原子性才能保证不出现一些意外的问题。
同样地反映到并发编程中会出现什么结果呢？
举个最简单的例子，大家想一下假如为一个32位的变量赋值过程不具备原子性的话，会发生什么后果？

i = 9;

假若一个线程执行到这个语句时，我暂且假设为一个32位的变量赋值包括两个过程：为低16位赋值，为高16位赋值。
那么就可能发生一种情况：当将低16位数值写入之后，突然被中断，而此时又有一个线程去读取i的值，那么读取到的就是错误的数据。

可见性

可见性是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。
举个简单的例子，看下面这段代码：

//线程1执行的代码
int i = 0;
i = 10;

//线程2执行的代码
j = i;

假设执行线程1的是CPU1，执行线程2的是CPU2。由上面的分析可知，当线程1执行 i =10这句时，会先把i的初始值加载到CPU1的高速缓存中，然后赋值为10，那么在CPU1的高速缓存当中i的值变为10了，却没有立即写入到主存当中。
此时线程2执行 j = i，它会先去主存读取i的值并加载到CPU2的缓存当中，注意此时内存当中i的值还是0，那么就会使得j的值为0，而不是10。
这就是可见性问题，线程1对变量i修改了之后，线程2没有立即看到线程1修改的值。

有序性

有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。举个简单的例子，看下面这段代码：

int i = 0;
boolean flag = false;
i = 1; //语句1
flag = true; //语句2

上面代码定义了一个int型变量，定义了一个boolean类型变量，然后分别对两个变量进行赋值操作。从代码顺序上看，语句1是在语句2前面的，那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定会在语句2前面执行吗？不一定，为什么呢？这里可能会发生指令重排序。
下面解释一下什么是指令重排序，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。
比如上面的代码中，语句1和语句2谁先执行对最终的程序结果并没有影响，那么就有可能在执行过程中，语句2先执行而语句1后执行。
但是要注意，虽然处理器会对指令进行重排序，但是它会保证程序最终结果会和代码顺序执行结果相同，那么它靠什么保证的呢？再看下面一个例子：

int a = 10;    //语句1
int r = 2;    //语句2
a = a + 3;    //语句3
r = a*a;     //语句4

这段代码有4个语句，那么可能的一个执行顺序是：

那么可不可能是这个执行顺序呢： 语句2 语句1 语句4 语句3
不可能，因为处理器在进行重排序时是会考虑指令之间的数据依赖性，如果一个指令Instruction 2必须用到Instruction 1的结果，那么处理器会保证Instruction 1会在Instruction 2之前执行。
虽然重排序不会影响单个线程内程序执行的结果，但是多线程呢？下面看一个例子：

//线程1:
context = loadContext();   //语句1
inited = true;       //语句2

//线程2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

上面代码中，由于语句1和语句2没有数据依赖性，因此可能会被重排序。假如发生了重排序，在线程1执行过程中先执行语句2，而此是线程2会以为初始化工作已经完成，那么就会跳出while循环，去执行doSomethingwithconfig(context)方法，而此时context并没有被初始化，就会导致程序出错。
从上面可以看出，指令重排序不会影响单个线程的执行，但是会影响到线程并发执行的正确性。
也就是说，要想并发程序正确地执行，必须要保证原子性、可见性以及有序性。只要有一个没有被保证，就有可能会导致程序运行不正确。

原子性、可见性以及有序性在Java中的体现

Java语言本身对原子性、可见性以及有序性提供了哪些保证呢？

原子性

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。
上面一句话虽然看起来简单，但是理解起来并不是那么容易。看下面一个例子：
请分析以下哪些操作是原子性操作：

x = 10;         //语句1
y = x;         //语句2
x++;           //语句3
x = x + 1;     //语句4

咋一看，上面的4个语句中的操作都是原子性操作。其实只有语句1是原子性操作，其他三个语句都不是原子性操作。
语句1是直接将数值10赋值给x，也就是说线程执行这个语句的会直接将数值10写入到工作内存中。
语句2实际上包含2个操作，它先要去读取x的值，再将x的值写入工作内存，虽然读取x的值以及 将x的值写入工作内存 这2个操作都是原子性操作，但是合起来就不是原子性操作了。
同样的，x++和 x = x+1包括3个操作：读取x的值，进行加1操作，写入新的值。
所以上面4个语句只有语句1的操作具备原子性。
也就是说，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。
从上面可以看出，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。

可见性

对于可见性，Java提供了volatile关键字来保证可见性。
当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。
而普通的共享变量不能保证可见性，因为普通共享变量被修改之后，什么时候被写入主存是不确定的，当其他线程去读取时，此时内存中可能还是原来的旧值，因此无法保证可见性。
另外，通过synchronized和Lock也能够保证可见性，synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。

有序性

在Java内存模型中，允许编译器和处理器对指令进行重排序，但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。
在Java里面，可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”。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
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。

总结

1. 线程安全不会出现数据不一致或者数据污染。
2. 非线程安全就是不提供数据访问保护，有可能出现多个线程先后更改数据造成所得到的数据是脏数据。
3. 单线程是线程安全的。
4. 方法内的变量是线程安全的。
5. 加锁操作共享变量是线程安全的。
6. 原子操作是线程安全的。
7. synchronized具有原子性、有序性和可见性。
8. volatile具有有序性和可见性。

参考
[1] 《多线程编程指南》
[2] 《Java多线程编程核心技术》
[3] 《深入理解Java虚拟机》
[4] 《你真的了解volatile关键字吗？》