线程安全的原子性、可见性与有序性

偏执的太偏执、 2023-06-27 06:15 7阅读 0赞

## 原子性： ##

**一个或多个操作在CPU执行过程中不被中断的特性称之为原子性**。线程中执行的操作要么全部执行，要么全部不执行。  
Java内存模型中的read、load、assign、use、store和write都可以保证原子性的操作（如果对Java内存模型不熟悉，可以参考我的这篇博文 [Java内存模型][Java]），一般基本数据类型访问读写都是原子性的（long和double的非原子性协议例外，但是基本也不会发生）  
如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证，我们可以直接使用synchronized关键字，在synchronized块之间的操作也具有原子性。

## 可见性： ##

**可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即得知这个修改。** Java内存模型是通过变量修改之后同步回主内存，在变量读取之前从主内存刷新变量值来实现可见性的。如果一个普通变量在多线程中运行的话，往往不能保证可见性，多个线程都是从主内存中获取变量，这时多个线程并不会先等待某一个线程修改完变量之后，写回主内存，再从主内存获取最新的变量值。  
如果要保证可见性的话，我们可以使用volatile关键字，具体原理可以参考我的这篇博文[Java的volatile关键字][Java_volatile]，当然除了volatile关键字之外，synchronized和final关键字也能实现可见性，synchronized保证可见性的原理是依据一条Java内存模型中的一条规则：**对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行store、write操作）** ，final保证可见性的原理是：**被final修饰的字段在构造器中一旦初始化完成，并且构造器没有把"this"的引用传递出去（this引用逃逸会导致其他线程有可能访问到没有完全初始化的对象），那其他线程就能看到final字段的值**。

## 有序性： ##

在单线程中不会存在有序性的问题，因为在单个线程内，线程都表现为串行语义，即看起来都是按顺序执行的。而在一个另外的线程中去观察一个线程，它的操作又是无序的，具体体现为 **"指令重排"现象和"工作内存与主内存同步延迟"现象**，所谓指令重排是一种CPU的优化策略，指令重排只保证最后在一个线程内执行的最终结果是正确的，但是不能保证语句的执行顺序就是按照我们所写的顺序；而工作内存与主内存同步延迟就像上面讲可见性的时候说的那样，工作内存中的变量值不一定就跟主内存中的变量值一致，可能主内存中变量已经更新，但是工作内存中还是旧值。  
要想保证可见性的话，可以使用volatile和synchronized的关键字，volatile本身就包含了禁止指令重排的语义，而synchronized关键字则保证了同一时刻，只有一个线程能加锁，而在单线程内不存在有序性问题。

我们在写代码的时候，往往不需要加volatile或者synchronized就能保证程序的有序性，这时因为Java语言中有一个 **“先行发生”（happens-before）原则，先行发生是Java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系**，举个例子操作A先行发生于操作B，那么操作A所产生的影响对于操作B来说都是可以观察到的，包括对变量的修改、方法的调用等。

以下的一些先行发生规则是Java内存模型天生就存在的，我们不需要任何其他操作就能保证有序：

*  程序次序规则：在一个线程内，按照程序代码顺序（准确来说，应该是控制流顺序而不是程序代码顺序，要考虑分支、循环等结构），书写在前面的操作发生于书写在后面的操作。
 *  管程锁定规则：一个unlock操作先行发生于后面（时间上的先后顺序）对**同一个锁**的lock操作。
 *  volatile变量规则：对于一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作。
 *  线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作。
 *  线程终止规则：线程中所有的操作都先行发生于对此线程的终止检测，可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值等手段检测到线程已经终止执行。
 *  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()方法检测到是否有中断发生。
 *  对象终结规则：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行发生于它的finalize()方法的开始。
 *  传递性：如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，那么A先行发生于操作C。

**如果要保证线程的并发安全，就不能利用时间的先后顺序去判断，而是应该以先行发生原则为准。**

参考：  
《深入理解Java虚拟机 ：JVM高级特性与最佳实践》

[Java]: https://blog.csdn.net/LO_YUN/article/details/103705408
[Java_volatile]: https://blog.csdn.net/LO_YUN/article/details/103835292