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多線程編程中的三個(gè)核心概念
原子性
這一點(diǎn)，跟數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)的原子性概念差不多，即一個(gè)操作（有可能包含有多個(gè)子操作）要么全部執(zhí)行（生效），要么全部都不執(zhí)行（都不生效）。
關(guān)于原子性，一個(gè)非常經(jīng)典的例子就是銀行轉(zhuǎn)賬問(wèn)題：比如A和B同時(shí)向C轉(zhuǎn)賬10萬(wàn)元。如果轉(zhuǎn)賬操作不具有原子性，A在向C轉(zhuǎn)賬時(shí)，讀取了C的余額為20萬(wàn)，然后加上轉(zhuǎn)賬的10萬(wàn)，計(jì)算出此時(shí)應(yīng)該有30萬(wàn)，但還未來(lái)及將30萬(wàn)寫回C的賬戶，此時(shí)B的轉(zhuǎn)賬請(qǐng)求過(guò)來(lái)了，B發(fā)現(xiàn)C的余額為20萬(wàn)，然后將其加10萬(wàn)并寫回。然后A的轉(zhuǎn)賬操作技術(shù)——將30萬(wàn)寫回C的余額。這種情況下C的最終余額為30萬(wàn)，而非預(yù)期的40萬(wàn)。
可見(jiàn)性
可見(jiàn)性是指，當(dāng)多個(gè)線程并發(fā)訪問(wèn)共享變量時(shí)，一個(gè)線程共享變量的修改，其它線程能夠立即看到?？梢?jiàn)性問(wèn)題是好多個(gè)忽略或者理解錯(cuò)誤的一點(diǎn)。
CPU從主內(nèi)存中讀數(shù)據(jù)的效率相對(duì)來(lái)說(shuō)不高，現(xiàn)在主流的計(jì)算機(jī)中，都有幾級(jí)緩存。每個(gè)線程讀取共享變量時(shí)，都會(huì)將該變量加載進(jìn)其對(duì)應(yīng)CPU的高速緩存里，修改該變量后，CPU會(huì)立即更新該緩存，但并不一定會(huì)立即將其寫回主內(nèi)存（實(shí)際上寫回主內(nèi)存的時(shí)間不可預(yù)期）。此時(shí)其它線程（尤其是不在同一個(gè)CPU上執(zhí)行的線程）訪問(wèn)該變量時(shí)，從主內(nèi)存中讀到的就是舊的數(shù)據(jù)，而非第一個(gè)線程更新后的數(shù)據(jù)。
這一點(diǎn)是操作系統(tǒng)或者說(shuō)是硬件層面的機(jī)制，所以很多應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員經(jīng)常會(huì)忽略。
順序性
順序性指的是，程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。
以下面這段代碼為例
boolean started = false; // 語(yǔ)句1
long counter = 0L; // 語(yǔ)句2
counter = 1; // 語(yǔ)句3
started = true; // 語(yǔ)句4
從代碼順序上看，上面四條語(yǔ)句應(yīng)該依次執(zhí)行，但實(shí)際上JVM真正在執(zhí)行這段代碼時(shí)，并不保證它們一定完全按照此順序執(zhí)行。
處理器為了提高程序整體的執(zhí)行效率，可能會(huì)對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化，其中的一項(xiàng)優(yōu)化方式就是調(diào)整代碼順序，按照更高效的順序執(zhí)行代碼。
講到這里，有人要著急了——什么，CPU不按照我的代碼順序執(zhí)行代碼，那怎么保證得到我們想要的效果呢？實(shí)際上，大家大可放心，CPU雖然并不保證完全按照代碼順序執(zhí)行，但它會(huì)保證程序最終的執(zhí)行結(jié)果和代碼順序執(zhí)行時(shí)的結(jié)果一致。
Java如何解決多線程并發(fā)問(wèn)題
Java如何保證原子性
鎖和同步
常用的保證Java操作原子性的工具是鎖和同步方法（或者同步代碼塊）。使用鎖，可以保證同一時(shí)間只有一個(gè)線程能拿到鎖，也就保證了只一時(shí)間只有一個(gè)線程能執(zhí)行申請(qǐng)鎖和釋放鎖之間的代碼。
public void testLock () {
lock.lock();
try{
int j = i;
i = j + 1;
} finally {
lock.unlock();
}
}
與鎖類似的是同步方法或者同步代碼塊。使用非靜態(tài)同步方法時(shí)，鎖住的是當(dāng)前實(shí)例；使用靜態(tài)同步方法時(shí)，鎖住的是該類的Class對(duì)象；使用靜態(tài)代碼塊時(shí)，鎖住的是synchronized關(guān)鍵字后面括號(hào)內(nèi)的對(duì)象。下面是同步代碼塊示例
public void testLock () {
synchronized (anyObject){
int j = i;
i = j + 1;
}
}
無(wú)論使用鎖還是synchronized，本質(zhì)都是一樣，通過(guò)鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)資源的排它性，從而實(shí)際目標(biāo)代碼段同一時(shí)間只會(huì)被一個(gè)線程執(zhí)行，進(jìn)而保證了目標(biāo)代碼段的原子性。這是一種以犧牲性能為代價(jià)的方法。
CAS（compare and swap）
基礎(chǔ)類型變量自增（i++）是一種常被新手誤以為是原子操作而實(shí)際不是的操作。Java中提供了對(duì)應(yīng)的原子操作類來(lái)實(shí)現(xiàn)該操作，并保證原子性，其本質(zhì)是利用了CPU級(jí)別的CAS指令。由于是CPU級(jí)別的指令，其開(kāi)銷比需要操作系統(tǒng)參與的鎖的開(kāi)銷小。AtomicInteger使用方法如下。
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
for(int b = 0; b < numThreads; b++) {
new Thread(() -> {
for(int a = 0; a < iteration; a++) {
atomicInteger.incrementAndGet();
}
}).start();
}
Java如何保證可見(jiàn)性
Java提供了volatile關(guān)鍵字來(lái)保證可見(jiàn)性。當(dāng)使用volatile修飾某個(gè)變量時(shí)，它會(huì)保證對(duì)該變量的修改會(huì)立即被更新到內(nèi)存中，并且將其它緩存中對(duì)該變量的緩存設(shè)置成無(wú)效，因此其它線程需要讀取該值時(shí)必須從主內(nèi)存中讀取，從而得到最新的值。
Java如何保證順序性
上文講過(guò)編譯器和處理器對(duì)指令進(jìn)行重新排序時(shí)，會(huì)保證重新排序后的執(zhí)行結(jié)果和代碼順序執(zhí)行的結(jié)果一致，所以重新排序過(guò)程并不會(huì)影響單線程程序的執(zhí)行，卻可能影響多線程程序并發(fā)執(zhí)行的正確性。
Java中可通過(guò)volatile在一定程序上保證順序性，另外還可以通過(guò)synchronized和鎖來(lái)保證順序性。
synchronized和鎖保證順序性的原理和保證原子性一樣，都是通過(guò)保證同一時(shí)間只會(huì)有一個(gè)線程執(zhí)行目標(biāo)代碼段來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
除了從應(yīng)用層面保證目標(biāo)代碼段執(zhí)行的順序性外，JVM還通過(guò)被稱為happens-before原則隱式的保證順序性。兩個(gè)操作的執(zhí)行順序只要可以通過(guò)happens-before推導(dǎo)出來(lái)，則JVM會(huì)保證其順序性，反之JVM對(duì)其順序性不作任何保證，可對(duì)其進(jìn)行任意必要的重新排序以獲取高效率。
happens-before原則（先行發(fā)生原則）
- 傳遞規(guī)則：如果操作1在操作2前面，而操作2在操作3前面，則操作1肯定會(huì)在操作3前發(fā)生。該規(guī)則說(shuō)明了happens-before原則具有傳遞性
- 鎖定規(guī)則：一個(gè)unlock操作肯定會(huì)在后面對(duì)同一個(gè)鎖的lock操作前發(fā)生。這個(gè)很好理解，鎖只有被釋放了才會(huì)被再次獲取
- volatile變量規(guī)則：對(duì)一個(gè)被volatile修飾的寫操作先發(fā)生于后面對(duì)該變量的讀操作
- 程序次序規(guī)則：一個(gè)線程內(nèi)，按照代碼順序執(zhí)行
- 線程啟動(dòng)規(guī)則：Thread對(duì)象的start()方法先發(fā)生于此線程的其它動(dòng)作
- 線程終結(jié)原則：線程的終止檢測(cè)后發(fā)生于線程中其它的所有操作
- 線程中斷規(guī)則： 對(duì)線程interrupt()方法的調(diào)用先發(fā)生于對(duì)該中斷異常的獲取
- 對(duì)象終結(jié)規(guī)則：一個(gè)對(duì)象構(gòu)造先于它的finalize發(fā)生
volatile適用場(chǎng)景
volatile適用于不需要保證原子性，但卻需要保證可見(jiàn)性的場(chǎng)景。一種典型的使用場(chǎng)景是用它修飾用于停止線程的狀態(tài)標(biāo)記。如下所示
boolean isRunning = false;
public void start () {
new Thread( () -> {
while(isRunning) {
someOperation();
}
}).start();
}
public void stop () {
isRunning = false;
}
在這種實(shí)現(xiàn)方式下，即使其它線程通過(guò)調(diào)用stop()方法將isRunning設(shè)置為false，循環(huán)也不一定會(huì)立即結(jié)束。可以通過(guò)volatile關(guān)鍵字，保證while循環(huán)及時(shí)得到isRunning最新的狀態(tài)從而及時(shí)停止循環(huán)，結(jié)束線程。
線程安全十萬(wàn)個(gè)為什么
問(wèn)：平時(shí)項(xiàng)目中使用鎖和synchronized比較多，而很少使用volatile，難道就沒(méi)有保證可見(jiàn)性？
答：鎖和synchronized即可以保證原子性，也可以保證可見(jiàn)性。都是通過(guò)保證同一時(shí)間只有一個(gè)線程執(zhí)行目標(biāo)代碼段來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
問(wèn)：既然鎖和synchronized即可保證原子性也可保證可見(jiàn)性，為何還需要volatile？
答：synchronized和鎖需要通過(guò)操作系統(tǒng)來(lái)仲裁誰(shuí)獲得鎖，開(kāi)銷比較高，而volatile開(kāi)銷小很多。因此在只需要保證可見(jiàn)性的條件下，使用volatile的性能要比使用鎖和synchronized高得多。
問(wèn)：既然鎖和synchronized可以保證原子性，為什么還需要AtomicInteger這種的類來(lái)保證原子操作？
答：鎖和synchronized需要通過(guò)操作系統(tǒng)來(lái)仲裁誰(shuí)獲得鎖，開(kāi)銷比較高，而AtomicInteger是通過(guò)CPU級(jí)的CAS操作來(lái)保證原子性，開(kāi)銷比較小。所以使用AtomicInteger的目的還是為了提高性能。
問(wèn)：還有沒(méi)有別的辦法保證線程安全
答：有。盡可能避免引起非線程安全的條件——共享變量。如果能從設(shè)計(jì)上避免共享變量的使用，即可避免非線程安全的發(fā)生，也就無(wú)須通過(guò)鎖或者synchronized以及volatile解決原子性、可見(jiàn)性和順序性的問(wèn)題。
問(wèn)：synchronized即可修飾非靜態(tài)方式，也可修飾靜態(tài)方法，還可修飾代碼塊，有何區(qū)別
答：synchronized修飾非靜態(tài)同步方法時(shí)，鎖住的是當(dāng)前實(shí)例；synchronized修飾靜態(tài)同步方法時(shí)，鎖住的是該類的Class對(duì)象；synchronized修飾靜態(tài)代碼塊時(shí)，鎖住的是synchronized關(guān)鍵字后面括號(hào)內(nèi)的對(duì)象。
