并發(fā)編程基本概念原子性一個(gè)操作或者多個(gè)操作要么全部執(zhí)行并且執(zhí)行的過(guò)程不會(huì)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(shí)刻只能有一個(gè)線程來(lái)對(duì)它進(jìn)行操作。簡(jiǎn)而言之在整個(gè)操作過(guò)程中不會(huì)被線程調(diào)度器中斷的操作都可認(rèn)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(lèi)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(lèi)的一切操作?？梢?jiàn)性指當(dāng)多個(gè)線程訪問(wèn)同一個(gè)變量時(shí)一個(gè)線程修改了這個(gè)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(gè)線程對(duì)共享變量的操作對(duì)其他線程是不可見(jiàn)的。Java提供了volatile來(lái)保證可見(jiàn)性當(dāng)一個(gè)變量被volatile修飾后表示著線程本地內(nèi)存無(wú)效當(dāng)一個(gè)線程修改共享變量后他會(huì)立即被更新到主內(nèi)存中其他線程讀取共享變量時(shí)會(huì)直接從主內(nèi)存中讀取。當(dāng)然synchronize和Lock都可以保證可見(jiàn)性。synchronized和Lock能保證同一時(shí)刻只有一個(gè)線程獲取鎖然后執(zhí)行同步代碼并且在釋放鎖之前會(huì)將對(duì)變量的修改刷新到主存當(dāng)中。因此可以保證可見(jiàn)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(gè)線程中觀察另一個(gè)線程所有操作都是無(wú)序的。前半句是指“線程內(nèi)表現(xiàn)為串行語(yǔ)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(duì)指令進(jìn)行重排序當(dāng)然重排序不會(huì)影響單線程的運(yùn)行結(jié)果但是對(duì)多線程會(huì)有影響。Java提供volatile來(lái)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(guò)synchronized和Lock來(lái)保證有序性synchronized和Lock保證每個(gè)時(shí)刻是有一個(gè)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(jiàn)性和有序性這個(gè)就不得不了解“內(nèi)存模型”、“重排序”和“內(nèi)存屏障”因?yàn)檫@三個(gè)概念和他們關(guān)系非常密切。內(nèi)存模型JMM決定一個(gè)線程對(duì)共享變量的寫(xiě)入何時(shí)對(duì)另一個(gè)線程可見(jiàn)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(chǔ)在主內(nèi)存(Main Memory)中每個(gè)線程都有一個(gè)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(duì)變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行而不能直接讀寫(xiě)主內(nèi)存中的變量。對(duì)于普通的共享變量來(lái)講線程A將其修改為某個(gè)值發(fā)生在線程A的本地內(nèi)存中此時(shí)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(jiàn)性問(wèn)題可以使用volatile、synchronized、final等此時(shí)A、B的通信過(guò)程如下首先線程A把本地內(nèi)存A中更新過(guò)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(guò)的共享變量。JMM通過(guò)控制主內(nèi)存與每個(gè)線程的本地內(nèi)存之間的交互來(lái)為java程序員提供內(nèi)存可見(jiàn)性保證需要注意的是JMM是個(gè)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(shí)的對(duì)應(yīng)cpu緩存和物理內(nèi)存。總結(jié)一句話內(nèi)存模型JMM控制多線程對(duì)共享變量的可見(jiàn)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(duì)指令序列進(jìn)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(huì)對(duì)存在數(shù)據(jù)依賴(lài)關(guān)系的操作進(jìn)行重排序。比如a1;ba; 這個(gè)指令序列由于第二個(gè)操作依賴(lài)于第一個(gè)操作所以在編譯時(shí)和處理器運(yùn)行時(shí)這兩個(gè)操作不會(huì)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(gè)操作第一步a1)和第二步(b2)由于不存在數(shù)據(jù)依賴(lài)關(guān)系 所以可能會(huì)發(fā)生重排序但是cab這個(gè)操作是不會(huì)被重排序的因?yàn)樾枰ＷC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(qǐng)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(gè)標(biāo)記用來(lái)標(biāo)識(shí)變量a是否已被寫(xiě)入。這里假設(shè)有兩個(gè)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(shí)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(méi)有數(shù)據(jù)依賴(lài)關(guān)系編譯器和處理器可以對(duì)這兩個(gè)操作重排序同樣操作3和操作4沒(méi)有數(shù)據(jù)依賴(lài)關(guān)系編譯器和處理器也可以對(duì)這兩個(gè)操作重排序。讓我們先來(lái)看看當(dāng)操作1和操作2重排序時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生什么效果請(qǐng)看下面的程序執(zhí)行時(shí)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(shí)線程A首先寫(xiě)標(biāo)記變量flag隨后線程B讀這個(gè)變量。由于條件判斷為真線程B將讀取變量a。此時(shí)變量a還根本沒(méi)有被線程A寫(xiě)入在這里多線程程序的語(yǔ)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(shí)理解起來(lái)有點(diǎn)繞比如線程A先執(zhí)行了writer()然后線程B執(zhí)行reader()對(duì)于線程A怎么會(huì)有這個(gè)重排序呢其實(shí)這個(gè)重排序是對(duì)線程B而言的不是線程A哈有了線程B這第一視角我們?cè)倮斫庖幌码m然線程A將writer()執(zhí)行了執(zhí)行順序是a1flagtrue但是對(duì)于線程B來(lái)說(shuō)因?yàn)橹嘏判蚓€程B是根據(jù)重排序后的結(jié)果去執(zhí)行的所以才會(huì)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(shí)會(huì)產(chǎn)生什么效果借助這個(gè)重排序可以順便說(shuō)明控制依賴(lài)性。下面是操作3和操作4重排序后程序的執(zhí)行時(shí)序圖在程序中操作3和操作4存在控制依賴(lài)關(guān)系。當(dāng)代碼中存在控制依賴(lài)性時(shí)會(huì)影響指令序列執(zhí)行的并行度。為此編譯器和處理器會(huì)采用猜測(cè)Speculation執(zhí)行來(lái)克服控制相關(guān)性對(duì)并行度的影響。以處理器的猜測(cè)執(zhí)行為例執(zhí)行線程B的處理器可以提前讀取并計(jì)算a*a此時(shí)結(jié)果為0然后把計(jì)算結(jié)果臨時(shí)保存到一個(gè)名為重排序緩沖reorder buffer ROB的硬件緩存中。當(dāng)接下來(lái)操作3的條件判斷為真時(shí)就把該計(jì)算結(jié)果寫(xiě)入變量i中。從圖中我們可以看出猜測(cè)執(zhí)行實(shí)質(zhì)上對(duì)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(yǔ)義因?yàn)閠emp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(jiàn)性可以通過(guò)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(huì)插入內(nèi)存屏障指令來(lái)禁止特定類(lèi)型的處理器重排序。內(nèi)存屏障主要有3個(gè)功能它確保指令重排序時(shí)不會(huì)把其后面的指令排到內(nèi)存屏障之前的位置也不會(huì)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(shí)在它前面的操作已經(jīng)全部完成它會(huì)強(qiáng)制將對(duì)緩存的修改操作立即寫(xiě)入主存如果是寫(xiě)操作它會(huì)導(dǎo)致其他CPU中對(duì)應(yīng)的緩存行無(wú)效。假如我對(duì)上述示例的falg變量通過(guò)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(gè)時(shí)候volatile禁止指令重排序也有一些規(guī)則因?yàn)槠蛟撘?guī)則將會(huì)在下一章講解根據(jù)happens before規(guī)則這個(gè)過(guò)程建立的happens before 關(guān)系可以分為兩類(lèi)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(shí)就是重排序規(guī)則建立的代碼前后依賴(lài)關(guān)系。溫馨提示這里大家可能會(huì)有疑問(wèn)1、3的規(guī)則我理解但是對(duì)于2為什么“2 happens before 3”還記得前面講的“內(nèi)存模型”么因?yàn)槟銓?duì)變量flag指定了volatile所以當(dāng)線程A執(zhí)行完后變量flagtrue會(huì)直接刷到內(nèi)存中然后B馬上可見(jiàn)所以說(shuō)2一定是在3前面不可能因?yàn)橹嘏判驅(qū)е?在2前面執(zhí)行。然后還要提示一下這里執(zhí)行時(shí)有個(gè)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?yàn)榫€程A不執(zhí)行完flag一直是false線程B根本就進(jìn)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(gè)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(gè)箭頭鏈接的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)代表了一個(gè)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(lán)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(xiě)一個(gè)volatile變量后B線程讀同一個(gè)volatile變量。A線程在寫(xiě)volatile變量之前所有可見(jiàn)的共享變量在B線程讀同一個(gè)volatile變量后將立即變得對(duì)B線程可見(jiàn)。總結(jié)今天講解了Java并發(fā)編程的3個(gè)特性然后基于里面的兩個(gè)特性“可見(jiàn)性”和“有序性”引出幾個(gè)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(gè)對(duì)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(shí)要必須一定要掌握。不算之前看的內(nèi)容光寫(xiě)這篇文章就寫(xiě)了一個(gè)下午。這篇文章涉及的知識(shí)參考了大量網(wǎng)上的資料我可以說(shuō)我這篇文章寫(xiě)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(shí)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(xiě)的很經(jīng)典但是對(duì)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(xì)大家看完這篇文章后再看其它的文章應(yīng)該就感覺(jué)好理解很多。