Java——原子性,可见性,有序性

1. 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。

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:

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

注意: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

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。

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。

2. 可见性(volatile保证)

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。

//线程1执行的代码
int i = 0;
i = 10;
//线程2执行的代码
j = i;
  • 当线程1执行 i =10这句时,会先把i的初始值加载到工作内存中,然后赋值为10,那么在线程1的工作内存当中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的值并加载到线程2的工作内存当中,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。

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。

3. 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。

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(Instruction Reorder)

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:
在这里插入图片描述
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。

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