Java并发编程

并发编程的三个问题：原子性问题，可见性问题，有序性问题

原子性

概念简介

1. 一个操作或者多个操作，要么全部执行，要么就都不执行
2. 执行的过程不会被任何因素打断
3. 在并发中要求互斥访问

只有简单的读取、赋值（而且必须是将数字赋值给某个变量，变量之间的相互赋值不是原子操作）才是原子操作。Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作。

Java语言提供的保证：

通过synchronized和Lock来实现。由于synchronized和Lock能够保证任一时刻只有一个线程执行该代码块，那么自然就不存在原子性问题了，从而保证了原子性。

可见性

当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。

普通的共享变量被修改之后，什么时候被写入主存是不确定的，当其他线程去读取时，此时内存中可能还是原来的旧值。

Java语言提供的保证

1. volatile关键字来保证可见性。当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。

2. 通过synchronized和Lock也能够保证可见性，synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。

有序性

程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

指令重排序（Instruction Reorder）
处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。

处理器在进行重排序时是会考虑指令之间的数据依赖性。重排序会影响多个线程内程序执行的结果。换句话说，重排不会影响单个线程内程序执行的结果。

结论：指令重排的适用范围是线程，它不会影响单个线程的执行，但是会影响到线程并发执行的正确性。

举个参考资料里的例子：
我相信，有经验的程序员，即使不懂的指令重排，本能上也不会用两个线程异步的执行下诉初始化操作。

//线程1:
context = loadContext();   //语句1
inited = true;             //语句2

//线程2:
while(!inited ){
    sleep()
}
doSomethingWithConfig(context);

计划执行：在线程1里执行语句1，初始化加载操作，完成后，标志位inited置为true，线程2，跳出睡眠，执行doSomethingWithConfig方法。

实际执行：由于语句1和语句2没有数据依赖性，因此可能会被重排序。假如发生了重排序，在线程1执行过程中先执行语句2，而此是线程2会以为初始化工作已经完成，那么就会跳出while循环，去执行doSomethingwithconfig(context)方法，而此时context并没有被初始化，就会导致程序出错。

Java语言提供的保证：

通过synchronized和Lock来保证有序性，很显然，synchronized和Lock保证每个时刻是有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码，自然就保证了有序性

volatile关键字

一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被volatile修饰之后，那么就具备了两层语义：

1.保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。

2.禁止进行指令重排序。

1. 当程序执行到volatile变量的读操作或者写操作时，在其前面的操作的更改肯定全部已经进行，且结果已经对后面的操作可见；在其后面的操作肯定还没有进行；

2. 在进行指令优化时，不能将在对volatile变量访问的语句放在其后面执行，也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执行。

volatile关键字的使用场景

volatile关键字是无法替代synchronized关键字的，因为volatile关键字无法保证操作的原子性。因此，当保证操作是原子性操作，才能保证使用volatile关键字的程序在并发时能够正确执行。

1. 状态标记量
2. double check。

单例的最优写法:

class Singleton{

    private volatile static Singleton instance = null;

    private Singleton() {
     
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if(instance==null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if(instance==null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

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参考资料

• 百度百科：缓存一致性
• Java并发编程：volatile关键字解析