Java并发中的原子性、可见性和有序性

基于JMM的内存模型，Java并发编程的核心问题：原子性、可见性、有序性

那么在此之前，我们有必要先说一下Java的JMM内存模型：java内存模型，是java虚拟机规范的一种工作模式，它将内存分为主内存和工作内存。线程在操作变量时，会将内存中的数据复制一份到工作内存，在工作内存中操作完成后，在写回到主内存中。

Java内存模型干了什么？

它定义了线程之间如何通过内存进行通信以及如何进行同步来保证程序正确性；Java内存模型规定了一个线程读取到的数据是另一个线程写入的最新版本。因为在并发程序中多个线程可以同时访问共享的变量，如果不采取措施来避免线程并发访问导致的意外结果，程序可能会出现各种未知的问题，如数据不一致、死锁等，而Java内存模型就是为了解决这些问题而设计的。

变量数据存储在主内存中，线程在操作变量时，会将主内存中的数据复制一份到工作内存，在工作内存中操作完成后，在写回到主内存中。

注：这里的本地内存只是JMM的抽象，是一个虚拟的概念，并不是真实存在一块内存叫本地内存，它是用来描述Java线程之间的可见性、有序性和原子性法则的一种规范。

1.原子性

原子性（Atomic）就是不可分割的意思，是指在进行一系列操作的时候这些操作要么全部执行要么全部不执行，不存在只执行一部分的情况。

上面的一系列操作，具体指的是什么呢？

答案就是那些对共享变量的读写操作，其实这也涉及到了整个并发编程的核心：处理多线程情况下线程之间的竞争条件和对共享变量的访问。

我们都知道并发指的是微观上同一时间段内多个线程交替执行，宏观上是多个线程一起执行，那么还因为我们现在的cpu是多核的，并且基于JMM的内存模型，这种种的原因就导致我们总是会面对这样一种问题：在同一时间内有多个线程对同一个共享变量进行读写操作，怎样才能保持这些操作结果是正确的呢，其实就是保持这三个性质：原子性，可见性，有序性。如何保持这三个特性，我想这就是并发编程这个篇章要解决的问题了。

为什么要保持原子性？

因为对于多个线程同时访问同一个共享变量时，如果没有保证原子性，就有可能发生线程安全问题。

例如，多个线程同时对一个计数器变量进行累加操作，如果没有保证原子性，就有可能出现计数结果不正确的情况。为了避免这种情况发生，可以将计数器变量的类型定义为AtomicInteger，或者使用synchronized关键字对读写操作加锁，保证多个线程对计数器变量进行操作时，每次只有一个线程在进行操作，从而保证了原子性。

如何保持原子性？

1.加锁：使用Synchronized或ReentrantLock

我们对读写共享资源的部分代码加锁，一个线程获得锁后，另一个线程想访问这段代码时，就会线程阻塞，直到另一个线程释放锁；所以加锁是一种阻塞式实现，而且这是一种悲观锁思想的实现。

2.使用原子类进行并发操作

java中，还提供了一些java.util.concurrent包中的原子类；是一种无锁实现；在低并发情况下使用；采用了CAS机制(Compare-And-Swap)。

总之，原子类的原子性是通过 volatile + CAS 实现原子操作的。 如AtomicInteger类，AtomicInteger 类中的 value 是有 volatile 关键字修饰的，这就保证了 value的内存可见性，这为后续的 CAS 实现提供了基础。

CAS机制（比较重要，面试高频）

CAS机制(Compare-And-Swap)：比较并交换，该算法是硬件对于并发操作的支持；

是乐观锁的一种实现方式；采用自旋的思想，是一种轻量级的锁机制(乐观锁是无锁实现)。

CAS全称是compare and swap 比较并且交换，是一种乐观锁思想，即无锁实现。该算法是硬件对于并发操作的支持；

建议在低并发情况下使用，

主要思想是自旋思想：第一次采取内存值v到工作内存中，进行计算后得到更新值B，然后进行判断，从主内存中再次取出V，记作A；当且仅当A==V时，我们才可以将B更新回主内存，否则，说明在之前已经有线程将改动了，我们就用这个改动后的值重复刚才的过程。

特点：

• 是一种无锁实现；

• 只能在低并发情况下使用；

• 不加锁，所有线程都可以对共享数据操作；

• 由于不加锁，所以不会阻塞，效率比加锁高；

• 采用自旋思想；

CAS机制中的不断自旋（spinlock）是指当多个线程同时请求对同一个变量进行操作时，如果这个变量的值不符合线程的预期，那么线程会反复尝试重新取值进行计算直到成功为止，而不是放弃处理或者进入睡眠状态。

使用CAS机制的优点是没有锁的开销，由于不需要线程间上下文切换的开销，比使用锁机制性能要高。但是同时也可能会出现自旋等待增加的问题（比如线程数量过多），从而导致性能下降。因此，在使用CAS时需要进行适当的调优

 2.可见性

可见性是指一个线程修改的共享变量的值可以被其他线程及时地看到。当一个线程修改了共享变量的值而其他线程还在使用这个值时，如果其他线程看到的仍然是修改之前的旧值，就会导致程序出错或者运行出现异常。

如何保持可见性？

正确地保证可见性是并发编程的重要课题。为了解决可见性的问题，Java提供了多种解决方案：

1. 加锁同步机制：通过synchronized关键字或ReentrantLock类等加锁同步机制，可以保证共享变量的读写操作具有原子性、可见性和有序性。

2. volatile关键字：使用volatile关键字可以保证被修饰的变量对于所有线程都是可见的，并且对共享变量的读写操作具有原子性。

3. final关键字：被final关键字修饰的变量可以保证在所有线程中都具有可见性，但是只适用于不可变的变量。

4. Atomic变量：Java中的Atomic包提供了对基本数据类型的高效跨多线程操作，具有可见性和原子性的保证。

有了volatile保证了变量的改变是立即可见的，是不是就可以不用加锁了？

虽然volatile关键字能够保证变量的可见性和一定的有序性，但是并不等同于加锁的同步机制，不能用来替代加锁同步机制。

加锁同步机制（如使用synchronized方法或代码块、ReentrantLock类等）在保证可见性和有序性的同时，还能够保证多个线程对共享变量的操作是原子性的，从而避免了一些其他的线程安全问题，而使用volatile修饰共享变量只能保证可见性和一定的有序性，无法保证复合操作的原子性。

总之，虽然volatile关键字能够提供可见性和有序性的保证，但是它不能代替加锁同步机制，开发者需要根据实际情况选择合适的同步机制来确保线程安全。

3.有序性

有序性指的是程序按照代码的先后顺序执行

为了优化性能，有时候java会自动对一些代码指令的执行顺序调整重排，以提高速度。在某种情况下，顺序调整后，可能会对后续代码操作进行影响。

如何保证有序性？

使用volatile关键字修饰的变量，在执行的过程中与它相关的代码不会被重排序执行。可解决无序性问题；

总结：volatile关键字就可以保证有序性和可见性，但是原子性的保证比较复杂，有加锁和不加锁两种方式保证原子性。我们对共享变量的并发操作只有保持了这三个性质，就可以保持操作的正确性，这就是java并发编程的真正目的！