Java并發編程

原子性

原子性：即一個操作或者多個操作 要么全部執行并且執行的過程不會被任何因素打斷，要么就都不執行。

一個很經典的例子就是銀行賬戶轉賬問題：

比如從賬戶A向賬戶B轉1000元，那么必然包括2個操作：從賬戶A減去1000元，往賬戶B加上1000元。

試想一下，如果這2個操作不具備原子性，會造成什么樣的后果。假如從賬戶A減去1000元之后，操作突然中止。然后又從B取出了500元，取出500元之后，再執行 往賬戶B加上1000元 的操作。這樣就會導致賬戶A雖然減去了1000元，但是賬戶B沒有收到這個轉過來的1000元。

所以這2個操作必須要具備原子性才能保證不出現一些意外的問題。

同樣地反映到并發編程中會出現什么結果呢?

舉個最簡單的例子，大家想一下假如為一個32位的變量賦值過程不具備原子性的話，會發生什么后果?

i = 9;

假若一個線程執行到這個語句時，我暫且假設為一個32位的變量賦值包括兩個過程：為低16位賦值，為高16位賦值。

那么就可能發生一種情況：當將低16位數值寫入之后，突然被中斷，而此時又有一個線程去讀取i的值，那么讀取到的就是錯誤的數據。

可見性

可見性是指當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。

舉個簡單的例子，看下面這段代碼：  

//線程1執行的代碼
int i = 0;
i = 10;
//線程2執行的代碼
j = i;

假若執行線程1的是CPU1，執行線程2的是CPU2。由上面的分析可知，當線程1執行 i =10這句時，會先把i的初始值加載到CPU1的高速緩存中，然后賦值為10，那么在CPU1的高速緩存當中i的值變為10了，卻沒有立即寫入到主存當中。

此時線程2執行 j = i，它會先去主存讀取i的值并加載到CPU2的緩存當中，注意此時內存當中i的值還是0，那么就會使得j的值為0，而不是10。

這就是可見性問題，線程1對變量i修改了之后，線程2沒有立即看到線程1修改的值。

有序性

有序性：即程序執行的順序按照代碼的先后順序執行。舉個簡單的例子，看下面這段代碼：

int i = 0;              
boolean flag = false;
i = 1;                //語句1  
flag = true;          //語句2

下面解釋一下什么是指令重排序，一般來說，處理器為了提高程序運行效率，可能會對輸入代碼進行優化，它不保證程序中各個語句的執行先后順序同代碼中的順序一致，但是它會保證程序最終執行結果和代碼順序執行的結果是一致的。

比如上面的代碼中，語句1和語句2誰先執行對最終的程序結果并沒有影響，那么就有可能在執行過程中，語句2先執行而語句1后執行。

但是要注意，雖然處理器會對指令進行重排序，但是它會保證程序最終結果會和代碼順序執行結果相同，那么它靠什么保證的呢?再看下面一個例子：

上面代碼定義了一個int型變量，定義了一個boolean類型變量，然后分別對兩個變量進行賦值操作。從代碼順序上看，語句1是在語句2前面的，那么JVM在真正執行這段代碼的時候會保證語句1一定會在語句2前面執行嗎?不一定，為什么呢?這里可能會發生指令重排序(Instruction Reorder)。

下面解釋一下什么是指令重排序，一般來說，處理器為了提高程序運行效率，可能會對輸入代碼進行優化，它不保證程序中各個語句的執行先后順序同代碼中的順序一致，但是它會保證程序最終執行結果和代碼順序執行的結果是一致的。

比如上面的代碼中，語句1和語句2誰先執行對最終的程序結果并沒有影響，那么就有可能在執行過程中，語句2先執行而語句1后執行。

但是要注意，雖然處理器會對指令進行重排序，但是它會保證程序最終結果會和代碼順序執行結果相同，那么它靠什么保證的呢?再看下面一個例子：

int a = 10;    //語句1
int r = 2;    //語句2
a = a + 3;    //語句3
r = a*a;     //語句4

那么可不可能是這個執行順序呢： 語句2 語句1 語句4 語句3

不可能，因為處理器在進行重排序時是會考慮指令之間的數據依賴性，如果一個指令Instruction 2必須用到Instruction 1的結果，那么處理器會保證Instruction 1會在Instruction 2之前執行。

雖然重排序不會影響單個線程內程序執行的結果，但是多線程呢?下面看一個例子：

//線程1:
context = loadContext();   //語句1
inited = true;             //語句2
//線程2:
while(!inited ){
  			sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

從上面可以看出，指令重排序不會影響單個線程的執行，但是會影響到線程并發執行的正確性。

也就是說，要想并發程序正確地執行，必須要保證原子性、可見性以及有序性。只要有一個沒有被保證，就有可能會導致程序運行不正確。