并發(fā)編程基本概念原子性一個操作或者多個操作要么全部執(zhí)行并且執(zhí)行的過程不會被任何因素打斷要么就都不執(zhí)行。原子性是拒絕多線程操作的不論是多核還是單核具有原子性的量同一時刻只能有一個線程來對它進行操作。簡而言之在整個操作過程中不會被線程調(diào)度器中斷的操作都可認為是原子性。例如 a1是原子性操作但是a和a 1就不是原子性操作。Java中的原子性操作包括基本類型的讀取和賦值操作且賦值必須是值賦給變量變量之間的相互賦值不是原子性操作所有引用reference的賦值操作java.concurrent.Atomic.* 包中所有類的一切操作?？梢娦灾府?dāng)多個線程訪問同一個變量時一個線程修改了這個變量的值其他線程能夠立即看得到修改的值。在多線程環(huán)境下一個線程對共享變量的操作對其他線程是不可見的。Java提供了volatile來保證可見性當(dāng)一個變量被volatile修飾后表示著線程本地內(nèi)存無效當(dāng)一個線程修改共享變量后他會立即被更新到主內(nèi)存中其他線程讀取共享變量時會直接從主內(nèi)存中讀取。當(dāng)然synchronize和Lock都可以保證可見性。synchronized和Lock能保證同一時刻只有一個線程獲取鎖然后執(zhí)行同步代碼并且在釋放鎖之前會將對變量的修改刷新到主存當(dāng)中。因此可以保證可見性。有序性即程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。Java內(nèi)存模型中的有序性可以總結(jié)為如果在本線程內(nèi)觀察所有操作都是有序的如果在一個線程中觀察另一個線程所有操作都是無序的。前半句是指“線程內(nèi)表現(xiàn)為串行語義”后半句是指“指令重排序”現(xiàn)象和“工作內(nèi)存主主內(nèi)存同步延遲”現(xiàn)象。在Java內(nèi)存模型中為了效率是允許編譯器和處理器對指令進行重排序當(dāng)然重排序不會影響單線程的運行結(jié)果但是對多線程會有影響。Java提供volatile來保證一定的有序性。最著名的例子就是單例模式里面的DCL雙重檢查鎖。另外可以通過synchronized和Lock來保證有序性synchronized和Lock保證每個時刻是有一個線程執(zhí)行同步代碼相當(dāng)于是讓線程順序執(zhí)行同步代碼自然就保證了有序性。為了讓大家更好理解可見性和有序性這個就不得不了解“內(nèi)存模型”、“重排序”和“內(nèi)存屏障”因為這三個概念和他們關(guān)系非常密切。內(nèi)存模型JMM決定一個線程對共享變量的寫入何時對另一個線程可見JMM定義了線程和主內(nèi)存之間的抽象關(guān)系共享變量存儲在主內(nèi)存(Main Memory)中每個線程都有一個私有的本地內(nèi)存Local Memory本地內(nèi)存保存了被該線程使用到的主內(nèi)存的副本拷貝線程對變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進行而不能直接讀寫主內(nèi)存中的變量。對于普通的共享變量來講線程A將其修改為某個值發(fā)生在線程A的本地內(nèi)存中此時還未同步到主內(nèi)存中去而線程B已經(jīng)緩存了該變量的舊值所以就導(dǎo)致了共享變量值的不一致。解決這種共享變量在多線程模型中的不可見性問題可以使用volatile、synchronized、final等此時A、B的通信過程如下首先線程A把本地內(nèi)存A中更新過的共享變量刷新到主內(nèi)存中去然后線程B到主內(nèi)存中去讀取線程A之前已更新過的共享變量。JMM通過控制主內(nèi)存與每個線程的本地內(nèi)存之間的交互來為java程序員提供內(nèi)存可見性保證需要注意的是JMM是個抽象的內(nèi)存模型所以所謂的本地內(nèi)存主內(nèi)存都是抽象概念并不一定就真實的對應(yīng)cpu緩存和物理內(nèi)存?？偨Y(jié)一句話內(nèi)存模型JMM控制多線程對共享變量的可見性重排序重排序是指編譯器和處理器為了優(yōu)化程序性能而對指令序列進行排序的一種手段。重排序需要遵守一定規(guī)則重排序操作不會對存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的操作進行重排序。比如a1;ba; 這個指令序列由于第二個操作依賴于第一個操作所以在編譯時和處理器運行時這兩個操作不會被重排序。重排序是為了優(yōu)化性能但是不管怎么重排序單線程下程序的執(zhí)行結(jié)果不能被改變。比如a1;b2;cab這三個操作第一步a1)和第二步(b2)由于不存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系 所以可能會發(fā)生重排序但是cab這個操作是不會被重排序的因為需要保證最終的結(jié)果一定是cab3。重排序在單線程下一定能保證結(jié)果的正確性但是在多線程環(huán)境下可能發(fā)生重排序影響結(jié)果請看下面的示例代碼class ReorderExample { int a 0; boolean flag false; public void writer() { a 1; //1 flag true; //2 } Public void reader() { if (flag) { //3 int i a * a; //4 System.out.println(i); } } }flag變量是個標(biāo)記用來標(biāo)識變量a是否已被寫入。這里假設(shè)有兩個線程A和BA首先執(zhí)行writer()方法隨后B線程接著執(zhí)行reader()方法。線程B在執(zhí)行操作4時輸出是多少呢答案是可能是0也可能是1。由于操作1和操作2沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系編譯器和處理器可以對這兩個操作重排序同樣操作3和操作4沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系編譯器和處理器也可以對這兩個操作重排序。讓我們先來看看當(dāng)操作1和操作2重排序時可能會產(chǎn)生什么效果請看下面的程序執(zhí)行時序圖如上圖所示操作1和操作2做了重排序。程序執(zhí)行時線程A首先寫標(biāo)記變量flag隨后線程B讀這個變量。由于條件判斷為真線程B將讀取變量a。此時變量a還根本沒有被線程A寫入在這里多線程程序的語義被重排序破壞了最后輸出i的結(jié)果是0。溫馨提示這里其實理解起來有點繞比如線程A先執(zhí)行了writer()然后線程B執(zhí)行reader()對于線程A怎么會有這個重排序呢其實這個重排序是對線程B而言的不是線程A哈有了線程B這第一視角我們再理解一下雖然線程A將writer()執(zhí)行了執(zhí)行順序是a1flagtrue但是對于線程B來說因為重排序線程B是根據(jù)重排序后的結(jié)果去執(zhí)行的所以才會出現(xiàn)上述異常情況這么給大家解釋是不是就清晰很多呢下面再讓我們看看當(dāng)操作3和操作4重排序時會產(chǎn)生什么效果借助這個重排序可以順便說明控制依賴性。下面是操作3和操作4重排序后程序的執(zhí)行時序圖在程序中操作3和操作4存在控制依賴關(guān)系。當(dāng)代碼中存在控制依賴性時會影響指令序列執(zhí)行的并行度。為此編譯器和處理器會采用猜測Speculation執(zhí)行來克服控制相關(guān)性對并行度的影響。以處理器的猜測執(zhí)行為例執(zhí)行線程B的處理器可以提前讀取并計算a*a此時結(jié)果為0然后把計算結(jié)果臨時保存到一個名為重排序緩沖reorder buffer ROB的硬件緩存中。當(dāng)接下來操作3的條件判斷為真時就把該計算結(jié)果寫入變量i中。從圖中我們可以看出猜測執(zhí)行實質(zhì)上對操作3和4做了重排序。重排序在這里破壞了多線程程序的語義因為temp的值為0所以最后輸出i的結(jié)果是0。那如何避免重排序?qū)Χ嗑€程的影響呢答案是“內(nèi)存屏障”內(nèi)存屏障為了保證內(nèi)存可見性可以通過volatile、final等修飾變量java編譯器在生成指令序列的適當(dāng)位置會插入內(nèi)存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序。內(nèi)存屏障主要有3個功能它確保指令重排序時不會把其后面的指令排到內(nèi)存屏障之前的位置也不會把前面的指令排到內(nèi)存屏障的后面即在執(zhí)行到內(nèi)存屏障這句指令時在它前面的操作已經(jīng)全部完成它會強制將對緩存的修改操作立即寫入主存如果是寫操作它會導(dǎo)致其他CPU中對應(yīng)的緩存行無效。假如我對上述示例的falg變量通過volatile修飾class ReorderExample { int a 0; boolean volatile flag false; public void writer() { a 1; //1 flag true; //2 } Public void reader() { if (flag) { //3 int i a * a; //4 System.out.println(i); } } }這個時候volatile禁止指令重排序也有一些規(guī)則因為篇幅原因該規(guī)則將會在下一章講解根據(jù)happens before規(guī)則這個過程建立的happens before 關(guān)系可以分為兩類根據(jù)程序次序規(guī)則1 happens before 2; 3 happens before 4。根據(jù)volatile規(guī)則2 happens before 3。根據(jù)happens before 的傳遞性規(guī)則1 happens before 4。happens before規(guī)則其實就是重排序規(guī)則建立的代碼前后依賴關(guān)系。溫馨提示這里大家可能會有疑問1、3的規(guī)則我理解但是對于2為什么“2 happens before 3”還記得前面講的“內(nèi)存模型”么因為你對變量flag指定了volatile所以當(dāng)線程A執(zhí)行完后變量flagtrue會直接刷到內(nèi)存中然后B馬上可見所以說2一定是在3前面不可能因為重排序?qū)е?在2前面執(zhí)行。然后還要提示一下這里執(zhí)行時有個前提條件就是線程A執(zhí)行完才能執(zhí)行線程B里面的邏輯因為線程A不執(zhí)行完flag一直是false線程B根本就進不到主流程所以你也可以直接理解為線程A執(zhí)行完后再執(zhí)行線程B才有這么個先后關(guān)系。上述happens before關(guān)系的圖形化表現(xiàn)形式如下在上圖中每一個箭頭鏈接的兩個節(jié)點代表了一個happens before 關(guān)系。黑色箭頭表示程序順序規(guī)則橙色箭頭表示volatile規(guī)則藍色箭頭表示組合這些規(guī)則后提供的happens before保證。這里A線程寫一個volatile變量后B線程讀同一個volatile變量。A線程在寫volatile變量之前所有可見的共享變量在B線程讀同一個volatile變量后將立即變得對B線程可見?？偨Y(jié)今天講解了Java并發(fā)編程的3個特性然后基于里面的兩個特性“可見性”和“有序性”引出幾個重要的概念分別為“內(nèi)存模型JMM”、“重排序”和“內(nèi)存屏障”這個對后續(xù)理解volatile、synchronized、final以及避免使用的各種坑真的是非常非常重要所以這塊知識要必須一定要掌握。不算之前看的內(nèi)容光寫這篇文章就寫了一個下午。這篇文章涉及的知識參考了大量網(wǎng)上的資料我可以說我這篇文章寫的比網(wǎng)上絕大部分的文章要好我看了程曉明的《深入理解Java內(nèi)存模型》里面的內(nèi)容雖然很好但是很多知識有些啰嗦我只提取了最重要的部分然后也有網(wǎng)上的文章寫的很經(jīng)典但是對于一些概念和示例的闡述深度還不夠我結(jié)合他們的利弊然后整理了這篇文章詳細大家看完這篇文章后再看其它的文章應(yīng)該就感覺好理解很多。