并发编程[8]_并发编程三大性质和volatile关键字

---

本文介绍并发编程的三大性质：原子性，可见性，有序性以及volatile关键字。

1. 原子性

原子性指一个操作或者多个操作，要么全部执行要么全部不执行。
在介绍synchronized关键字的时候，就有介绍过，在执行 i++ 的时候，实际上执行的是三个步骤：读取 i 的值，i+1，将结果写入。所以这个操作不是原子操作，在多线程执行 i++ 和 i-- 的时候，结果跟我们所想的不同。
而synchronized关键字可以对代码块或方法加锁，就确保了操作的原子性。

2. 可见性

可见性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到修改的值。
看例1：

public class Test1 {
    private static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(Test1.class);

    private static boolean stop = false;    // 线程判断是否要停下

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            while(!stop){

            }
            log.debug("stop...");
        }, "t1");

        t1.start();
        Thread.sleep(100);
        stop = true;
    }
}

例1很简单的逻辑，t1线程判断stop标志位是否为true，不为true的话，就不退出，为true的话，就退出循环，打印“stop...”。按一般的思维方式，在主线程将stop设置为true之后，t1循环读取stop的值时，应该是true，然后退出循环。然后程序运行之后，却发现并没有任何输出，且循环并没有退出，程序也还没结束。
原因是由于缓存的存在，t1线程在读取stop值时，主线程对stop修改后的值，还没有真正写入内存，导致读取的是旧值false。
解决办法是可以对stop变量加volatile关键字，这样jvm就会保证它的可见性。

    private volatile static boolean stop = false;    // 线程判断是否要停下

jvm在读取一个volatile变量时，会强制它从内存中读取，
在写入一个volatile变量时，也会强制它写入到内存。
另外，通过synchronized和lock也能够保证可见性。它们能够保证同一时刻只有一个线程获取锁，然后执行同步代码，锁释放前会将变量的修改刷新到内存当中。所以也能够保证可见性。

3. 有序性

有序性指的是程序执行的顺序是按代码的先后顺序执行的。
java编译器和处理器对一些指令会进行优化和重排序，这个过程不会影响到单线程的操作，但是在多线程并发中就会影响程序的正确性。

1. int i = 0;
2. int k = 0;
3. i = i +1;
4. k = i +1;

四个语句的执行顺序，可能是 1 -> 2 -> 3 -> 4; 也可能是 2 -> 1 -> 3 -> 4等，出现指令重排的情况，当然，因为语句4是得用到语句3的结果，所以指令间是存在着依赖性，结果不可能出现 4 -> 3。
我们可以用volatile关键字，来限制指令的重排，保证有序性。
volatile 修饰变量，jvm会为对应的变量的读和写创建屏障：

• 写屏障：不会将写屏障之前的代码排在写屏障之后
• 读屏障：不会将读屏障之后的代码排在读屏障之前

一些其他的执行顺序，可以参考happens-before原则，我这也从网上摘抄出了这个原则：

• 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
  

4. 总结

volatile 关键字可以保证程序的可见性和有序性，但是不能保证原子性，保证原子性可用lock和synchronized来实现。
synchronized 可以保证synchronized块间的原子性，可见性和有序性。
volatile 不需要加锁，比synchronized更加轻量级。