多线程并发艺术（一）原子性、可见性和有序性

原子性，可见性和有序性

一、原子性 Atomicity

1. 原子性： 在化学上，原子就是构成一般物质最小的单位，在化学中是不可分割的。在java中，原子性就是操作不可中断的。即使是多个线程一起执行的时候，一个操作一旦开始，就不会被其他线程干扰。
   原子性是操作原子性，根本上来说只是某个变量的某个操作赋予原子性

《thinking in Java》的第21章的《并发》有写：
“除了long和double类型，Java基本数据类型都是的简单读写都是原子的，而简单读写就是赋值和return语句。”
因此而对于其他自增自减以及其他运算操作，是非原子操作。

基本数据类型的自增自减操不是原子操作，这是为什么呢

比如：i++;
1)读取i的值
2)进行 i 增加1 的操作
3)将i的值新写入内存

这已经是三个步骤了。原子操作可是不能拆分的，这一下子就拆分了三个子操作。所以很明显的不是原子操作。
虚拟机定义了8种原子操作,包括

lock 锁定主内存的变量，使其被某一线程独占
unlock 解锁主内存中的变量
read 把一个主内存的变量传递到工作内存中，以便load
load 将从主内存传递的值传递到工作内存的变量副本中
store 将工作内存中变量副本传递到主内存中去，以便write
write 将工作内存传递过来的值赋到主内存中变量
use 将工作内存的值传递给执行引擎
assign 将执行引擎的值传递到工作内存

这8种操作可以用来确定你的访问是否安全。

这八种操作涉及到了Java内存模型

二、Java内存模型 Java Memory Model

1. 在jdk1.2之前，java的内存模型实现总是从主内存(共享内容)中读取变量。由于CPU执行速度很快，而从内存中读取数据和向内存中写入数据的过程和CPU执行速度相比慢的太多了。大大降低了指令执行的速度。所以现在的Java内存模型下，线程可以把变量保存在本地内存中，而不是直接在主内存中进行读写。
2. JMM主要用于屏蔽各个硬件平台和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。如果扩展开来说，它也可以称为内存一致性模型。
   

如图就是多个线程中共享一块主内存，每个线程中有自己的一块工作内存。线程的工作内存中保存了该线程使用的变量的主内存的副本拷贝，线程对变量的所有操作（读取，赋值等）都在工作内存中进行，而不能直接读写主内存的变量。不同的线程之间无法直接访问对方工作内存中的变量，线程之间值的传递都间接通过主内存来完成

注意：Java内存模型本身是一种抽象的概念，并不真实存在，它描述的是一组规则和规范，通过这组规范定义了程序中各个变量的访问方式。
而Java内存区域的划分（方法区，堆，栈等）是实际的区域划分。
后续我们也会有相应的章节去详细说明Java内存区域的划分。

三、可见性 Visibility

1. 可见性：当一个线程修改了主内存中的共享变量的时候，对于其他线程是可见的。（即修一个线程改了工作内存中的共享变量副本时，其他线程要知道你修改了这个共享变量副本）
2. 普通变量很明显是不能实现可见性的。但是volatitle和synchorized,final是可以实现的。
3. 后续会有章节专门说明这三个关键字。

四、有序性 Ordering

1. 有序性：程序运行的顺序与代码的先后顺序一致。
2. Java内存模型中的程序天热有序性可以总结为一句话：

如果在本线程内观察，所有操作都是有序的。如果在一个线程中观察另一个线程，所有操作都是无序的

前半句指的是线程内表现为串性语义，后半句指的是指令重排序和工作内存与主内存同步延迟

1. 有序性的语意大致有几层
   1） 最常见的是 保证多线程的串性机制
   2）防止指令重排序
   3）程序运行的先后顺序，比如JMM定义的一些Happens-before原则。
   那么什么是指令重排序呢

五、指令重排序 Instroduction Reorder

int a = 1;
int b = 3;
a = 4;    //代码1
b = 5;    //代码2

如上述代码，在代码顺序中，代码1是在代码2之前的。那么JVM在调用这些代码的时候，真的会保证代码1在代码2之前运行么？不一定，这是为什么呢，因为这里发生了 指令重排序(Instroduction Reorder).

计算机在执行过程中，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令进行重排序

一般分为以下三种：

1. 编译器优化重排序：编译器在不改变单线程线程语义的情况下，可以重新安排语句的执行顺序(遵循as-if-serial原则)。

as-if-serial语义：不管怎么重排序（编译器和处理器为了提高并发量），（单线程）的执行结果不会改变

1. 指令级并行重排序：现代处理器采用了指令级并行技术，将多条指令重叠执行，如果不存在数据依赖关系（即后一个执行的语句无序依赖前面执行的语句的结果），处理器可以改变语句对应的机器指令的顺序

int a = 1; //代码1
int b = 3; //代码2
a = a + 3;  //代码3
b = a * a; //代码4

代码4是不可能在代码3之前运行的，因为它依赖了代码3的运行结果

1. 内存系统重排序：由于处理器使用缓存和读写缓存冲区，这使得加载（load）和存储（store）操作看上去像是乱序执行，因为三级缓存的存在，导致内存和缓存的数据同步存在时间差。
   有兴趣的可以参考下述博文
   指令重排序的详细说明

理解了Java内存模型中的原子性，可见性和有序性，下一章我将再详细介绍一个有趣的修饰符 volatitle。

注意：它可以实现可见性和有序性，但是不可以原子性