19Java多线程之并发编程三大特性

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原子性

原子是世界上的最小单位，具有不可分割性。

比如 a=0；（a非long和double类型） 这个操作是不可分割的，那么我们说这个操作时原子操作。再比如：a++； 这个操作实际是a = a + 1；是可分割的，所以他不是一个原子操作。

非原子操作都会存在线程安全问题，需要我们使用同步技术（synchronized）来让它变成一个原子操作。一个操作是原子操作，那么我们称它具有原子性。

如果把一个事务看作是一个程序，要么全部执行，要么全不执行。这种特性就叫原子性。

在 Java 中 synchronized 和在 lock、unlock 中的操作保证了原子性。

concurrent 包下提供了一些原子类，我们可以通过阅读API来了解这些原子类的用法。比如：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等。

扩展链接：

什么是原子性,什么是原子性操作？

[Redis的单个操作是原子性的，多个操作支持事务](https://www.runoob.com/redis/redis-intro.html#:~:text=原子 – Redis的所有操作都是原子性的，意思就是要么成功执行要么失败完全不执行。单个操作是原子性的。多个操作也支持事务，即原子性，通过MULTI和EXEC指令包起来。)

可见性

可见性与Java的内存模型有关，模型采用缓存与主存的方式对变量进行操作，也就是说，每个线程都有自己的缓存空间，对变量的操作都是在缓存中进行的，之后再将修改后的值返回到主存中，这就带来了问题，有可能一个线程修改共享变量后，还没有来的及将缓存中的变量刷新到主存，另外一个线程就对共享变量进行修改，那么这个线程拿到的值是主存中未被修改的值，这就是可见性的问题。

可见性，指线程间内存的可见性，一个线程的修改，对另一个线程立马可见。

在 Java 中 volatile、synchronized 实现可见性。

可见性问题示例：

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public class Test {
    public static boolean stopped = false;
    //public static volatile boolean stopped = false; // volatile关键字保证可见性

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            // 当stopped为true时停止循环
            while (!stopped) {
                //Thread.sleep(0); // 也可以获取到stopped状态的改变
            }
        }).start();

        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // 停止循环
        stopped = true;
    }
}

有序性

指令重排 (Instruction Reordering)：编译器 / JVM / CPU 出于性能优化目的调整执行顺序（打破有序性的一种手段）。

Java 语言提供了 volatile 和 synchronized 两个关键字来保证线程之间操作的有序性。

volatile

volatile 变量在写入和读取时，会插入特定的内存屏障（memory barrier），从而：

  • 禁止特定类型的指令重排序（写前不能有写，读后不能有写）；
  • 保证对变量的可见性（一个线程写入，另一个线程马上能看到）；
  • ⚠️ 不保证原子性（这点常被忽视）。

具体表现：

  • 写入 volatile：JVM 会在后面插入 StoreStore + StoreLoad 屏障；
  • 读取 volatile：JVM 会在前面插入 LoadLoad + LoadStore 屏障；
  • 这些屏障会让前后的操作 不能重排，因此达成“部分顺序性保证”。

synchronized

synchronized 的并发控制来自 Java 的“互斥锁语义”：同一时刻，最多只有一个线程持有某个对象的锁。

synchronized 也隐式地具备内存屏障语义：

  • 进入同步块（lock acquire）时：会清空当前线程的工作内存，重新从主内存读取；
  • 退出同步块（lock release）时：会把本地工作内存刷新到主内存；
  • 这两步确保了同步块之间对同一锁的操作是 顺序可见的（强 happen-before 关系）。