java多线程3：原子性，可见性，有序性

概念

　　在了解线程安全问题之前，必须先知道为什么需要并发，并发给我们带来什么问题。

为什么需要并发，多线程？

1. 时代的召唤，为了更充分的利用多核CPU的计算能力，多个线程程序可通过提高处理器的资源利用率来提升程序性能。
2. 方便业务拆分，异步处理业务，提高应用性能。

　　 多线程并发产生的问题？

1. 大量的线程让CPU频繁上下文切换带来的系统开销。
2. 临界资源线程安全问题（共享，可变）。
3. 容易造成死锁。

注意：当多个线程执行一个方法时，该方法内部的局部变量并不是临界资源，因为这些局部变量是在每个线程的私有栈中，因此不具有共享性质，不会导致线程安全问题。

可见性

多线程访问同一个变量时，如果有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。这是因为为了保证多个CPU之间的高速缓存是一致的，操作系统会有一个缓存一致性协议，volatile就是通过OS的缓存一致性协议策略来保证了共享变量在多个线程之间的可见性。

public class ThreadDemo2 {
 
    private static boolean flag = false;
 
    public void thread_1(){
        flag = true;
        System.out.println("线程1已对flag做出改变");
    }
 
    public void thread_2(){
        while (!flag){
        }
        System.out.println("线程2->flag已被修改，成功打断循环");
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        ThreadDemo2 threadDemo2 = new ThreadDemo2();
        Thread thread2 = new Thread(()->{
            threadDemo2.thread_2();
        });
        Thread thread1= new Thread(()->{
            threadDemo2.thread_1();
        });
        thread2.start();
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        thread1.start();
    }
}

执行结果

线程1已对flag做出改变

代码无论执行多少次，线程2的输出语句都不会被打印。为flag添加volatile修饰后执行，线程2执行的语句被打印

执行结果

线程1已对flag做出改变
线程2->flag已被修改，成功打断循环

局限：volatile只是保证共享变量的可见性，无法保证其原子性。多个线程并发时，执行共享变量i的i++操作<==> i = i + 1，这是分两步执行，并不是一个原子性操作。根据缓存一致性协议，多个线程读取i并对i进行改变时，其中一个线程抢先独占i进行修改，会通知其他CPU我已经对i进行修改，把你们高速缓存的值设为无效并重新读取，在并发情况下是可能出现数据丢失的情况的。

public class ThreadDemo3 {
    private volatile static int count = 0;
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; ++i){
            Thread thread = new Thread(()->{
                for (int j = 0; j < 1000; ++j){
                    count++;
                }
            });
            thread.start();
        }
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("count执行的结果为->" + count);
    }
}

执行结果

count执行的结果为->9561

注意：这个结果是不固定的，有时10000，有时少于10000。

原子性

就像恋人一样同生共死，表现在多线程代码中程序一旦开始执行，就不会被其他线程干扰要嘛一起成功，要嘛一起失败，一个操作不可被中断。在上文的例子中，为什么执行结果不一定等于10000,就是因为在count++是多个操作，1.读取count值，2.对count进行加1操作，3.计算的结果再赋值给count。这几个操作无法构成原子操作的，在一个线程读取完count值时，另一个线程也读取他并给它赋值，根据缓存一致性协议通知其他线程把本次读取的值置为无效，所以本次循环操作是无效的，我们看到的值不一定等于10000，如何进行更正---->synchronized关键字

public class ThreadDemo3 {
    private volatile static int count = 0;
    private static Object object = new Object();
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; ++i){
            Thread thread = new Thread(()->{
                for (int j = 0; j < 1000; ++j){
                    synchronized (object){
                        count++;
                    }
                }
            });
            thread.start();
        }
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("count执行的结果为->" + count);
    }
}

执行结果

count执行的结果为->10000

加锁后，线程在争夺执行权就必须获取到锁，当前线程就不会被其他线程所干扰，保证了count++的原子性，至于synchronized为什么能保证原子性，篇幅有限，下一篇在介绍。

有序性

jmm内存模型允许编译器和CPU在单线程执行结果不变的情况下，会对代码进行指令重排（遵守规则的前提下）。但在多线程的情况下却会影响到并发执行的正确性。

public class ThreadDemo4 {
    private static int x = 0,y = 0;
    private static int a = 0,b = 0;
    private static int i = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (;;){
            i++;
            x = 0;y = 0;
            a = 0;b = 0;
            Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    waitTime(10000);
                    a = 1;
                    x = b;
                }
            });
            Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    b = 1;
                    y = a;
                }
            });
            thread1.start();
            thread2.start();
            thread1.join();
            thread2.join();
            System.out.println("第" + i + "次执行结果(" + x + "," + y + ")");
            if (x == 0 && y == 0){
                System.out.println("在第" + i + "次发生指令重排，(" + x + "," + y + ")");
                break;
            }
        }
    }
    public static void waitTime(int time){
        long start = System.nanoTime();
        long end;
        do {
            end = System.nanoTime();
        }while (start + time >= end);
    }
 
}

执行结果

第1次执行结果(0,1)
第2次执行结果(1,0)
....
第35012次执行结果(0,1)
第35013次执行结果(0,0)
在第35013次发生指令重排，(0,0)

如何解决上诉问题哪？volatile的另一个作用就是禁止指令重排优化，它的底层是内存屏障，其实就是一个CPU指令，一个标识，告诉CPU和编译器，禁止在这个标识前后的指令执行重排序优化。内存屏障的作用有两个，一个就是上文所讲的保证变量的内存可见性，第二个保证特定操作的执行顺序。

补充

指令重排序：Java语言规范规定JVM线程内部维持顺序化语义，程序的最终结果与它顺序化情况的结果相等，那么指令的执行顺序可以和代码顺序不一致。JVM根据处理器特性，适当的堆机器指令进行重排序，使机器指令更符号CPU的执行特性，最大限度发挥机器性能。

as-if-serial语义：不管怎么重排序，单线程程序的执行结果不能被改变，编译器和处理器都必须遵守这个原则。

happens-before原则：辅助保证程序执行的原子性，可见性和有序性的问题，判断数据是否存在竞争，线程是否安全的依据（JDK5）

1. 程序顺序原则，即在一个线程内必须保证语义串行性，也就是说按照代码顺序执行。

2. 锁规则 解锁(unlock)操作必然发生在后续的同一个锁的加锁(lock)之前，也就是说， 如果对于一个锁解锁后，再加锁，那么加锁的动作必须在解锁动作之后(同一个锁)。

3. volatile规则 volatile变量的写，先发生于读，这保证了volatile变量的可见性，简单 的理解就是，volatile变量在每次被线程访问时，都强迫从主内存中读该变量的值，而当 该变量发生变化时，又会强迫将最新的值刷新到主内存，任何时刻，不同的线程总是能 够看到该变量的最新值。

4. 线程启动规则 线程的start()方法先于它的每一个动作，即如果线程A在执行线程B的 start方法之前修改了共享变量的值，那么当线程B执行start方法时，线程A对共享变量 的修改对线程B可见

5. 传递性 A先于B ，B先于C 那么A必然先于C

6. 线程终止规则 线程的所有操作先于线程的终结，Thread.join()方法的作用是等待当前 执行的线程终止。假设在线程B终止之前，修改了共享变量，线程A从线程B的join方法 成功返回后，线程B对共享变量的修改将对线程A可见。

7. 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，可以通过Thread.interrupted()方法检测线程是否中断。