高并发第四弹:线程安全性-可见性-有序性

很重要的搞清楚happen-before -->Java并发编程之happens-before

可见性：一个线程对主内存的修改可以及时的被其他线程观察到。
有序性：一个线程观察其他线程中的指令执行顺序，由于指令重排序的存在，该观察结果一般杂乱无序。
原子性：提供了互斥访问。

特性	操作
可见性	可以由final(不会修改)、volatile（强制更新+读取主内存）以及synchronized(在unlock时会刷新所有已修改数据到主内存，lock时会从主内存重新加载数据)实现
有序性	可以由volatile（禁止指令重排序）/synchronized（一个变量最多只能有一个线程对其lock）实现
原子性	只有synchronized可以实现原子性，保证synchronized的代码块串行执行

synchronized在加锁时进行数据的重加载（主内存 -> 工作内存），在释放锁时将数据刷新到主内存。

冲突访问（Conflicting Accesses）对同一个共享字段或数组元素存在两个访问（读或写），且至少有一个访问是写操作，就称作有冲突。当程序包含两个没有被 happens-before 关系排序的冲突访问时，就称存在数据争用。

动作A对于动作B是happen-before,即意味着动作A的修改（所有数据）对于动作B是可见的。

happens-before关系如下：

某个线程中的每个动作都 happens-before 该线程中该动作后面的动作(这里无论指令是否重排序都必须满足)。
某个管程 m 上的解锁动作 synchronizes-with 所有后续在 m 上的锁定动作（这里的后续是根据同步顺序定义的）。
对 volatile 变量 v 的写操作 synchronizes-with 所有后续任意线程对 v 的读操作（这里的后续是根据同步顺序定义的）。
用于启动一个线程的动作(start方法) synchronizes-with 该新启动线程中的第一个动作。
初始化动作对于其他线程的第一个调用是happen-before
happen-before是闭包传递的。
个程序不存在数据争用，那么该程序是顺序一致的，即该程序不存在可见性问题。但是该程序还是可能在原子访问上出现问题，所以不存在数据争用并不是意味着线程安全，只有加上原子性保证才是线程安全的。这也是为什么synchronized是线程安全的，而volatile（保证所有变量访问都是happen-before）只有在所有操作都是原子的情况下才是线程安全的原因。

另外，Java内存模型具备一些先天的“有序性”，即不需要通过任何手段就能够得到保证的有序性，这个通常也称为 happens-before 原则。如果两个操作的执行次序无法从happens-before原则推导出来，那么它们就不能保证它们的有序性，虚拟机可以随意地对它们进行重排序。

　　下面就来具体介绍下happens-before原则（先行发生原则）：

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

　　这8条原则摘自《深入理解Java虚拟机》。

　　这8条规则中，前4条规则是比较重要的，后4条规则都是显而易见的。

　　下面我们来解释一下前4条规则：

　　对于程序次序规则来说，我的理解就是一段程序代码的执行在单个线程中看起来是有序的。注意，虽然这条规则中提到“书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作”，这个应该是程序看起来执行的顺序是按照代码顺序执行的，因为虚拟机可能会对程序代码进行指令重排序。虽然进行重排序，但是最终执行的结果是与程序顺序执行的结果一致的，它只会对不存在数据依赖性的指令进行重排序。因此，在单个线程中，程序执行看起来是有序执行的，这一点要注意理解。事实上，这个规则是用来保证程序在单线程中执行结果的正确性，但无法保证程序在多线程中执行的正确性。

　　第二条规则也比较容易理解，也就是说无论在单线程中还是多线程中，同一个锁如果出于被锁定的状态，那么必须先对锁进行了释放操作，后面才能继续进行lock操作。

　　第三条规则是一条比较重要的规则，也是后文将要重点讲述的内容。直观地解释就是，如果一个线程先去写一个变量，然后一个线程去进行读取，那么写入操作肯定会先行发生于读操作。

　　第四条规则实际上就是体现happens-before原则具备传递性。

深入volatile的

1.volatile关键字的两层语义

　　一旦一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被volatile修饰之后，那么就具备了两层语义：

　　1）保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。

　　2）禁止进行指令重排序。

2.volatile的原理和实现机制

　　前面讲述了源于volatile关键字的一些使用，下面我们来探讨一下volatile到底如何保证可见性和禁止指令重排序的。

　　下面这段话摘自《深入理解Java虚拟机》：

　　“观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令”

　　lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），内存屏障会提供3个功能：

　　1）它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成；

　　2）它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存；

　　3）如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。

使用场景

synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码，那么就会很影响程序执行效率，而volatile关键字在某些情况下性能要优于synchronized，但是要注意volatile关键字是无法替代synchronized关键字的，因为volatile关键字无法保证操作的原子性。通常来说，使用volatile必须具备以下2个条件：

　　1）对变量的写操作不依赖于当前值

　　2）该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

　　实际上，这些条件表明，可以被写入 volatile 变量的这些有效值独立于任何程序的状态，包括变量的当前状态。

　　事实上，我的理解就是上面的2个条件需要保证操作是原子性操作，才能保证使用volatile关键字的程序在并发时能够正确执行。

　　下面列举几个Java中使用volatile的几个场景。

1.状态标记量

volatile boolean flag = false;
 
while(!flag){
    doSomething();
}
 
public void setFlag() {
    flag = true;
}

volatile boolean inited = false;

//线程1:

context = loadContext();  

inited = true;            

//线程2:

while(!inited ){

sleep()

}

doSomethingwithconfig(context);

2.double check

class Singleton{
    private volatile static Singleton instance = null;
     
    private Singleton() {
         
    }
     
    public static Singleton getInstance() {
        if(instance==null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if(instance==null)
                    instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}