在并發(fā)編程中有三個(gè)非常重要的特性：原子性、有序性,、可見(jiàn)性，學(xué)妹發(fā)現(xiàn)你對(duì)它們不是很了解，她很著急，因?yàn)槔斫膺@三個(gè)特性對(duì)于能夠正確地開(kāi)發(fā)高并發(fā)程序有很大的幫助，接下來(lái)的面試中也極有可能被問(wèn)到，小學(xué)妹就忍不住開(kāi)始跟你逐一介紹起來(lái)。

Java內(nèi)存模型

在講三大特性之前先簡(jiǎn)單介紹一下Java內(nèi)存模型（Java Memory Model，簡(jiǎn)稱JMM），了解了Java內(nèi)存模型以后，可以更好地理解三大特性。

Java內(nèi)存模型是一種抽象的概念，并不是真實(shí)存在的，它描述的是一組規(guī)范或者規(guī)定。JVM運(yùn)行程序的實(shí)體是線程，每一個(gè)線程都有自己私有的工作內(nèi)存。Java內(nèi)存模型中規(guī)定了所有變量都存儲(chǔ)在主內(nèi)存中，主內(nèi)存是一塊共享內(nèi)存區(qū)域，所有線程都可以訪問(wèn)。但是線程對(duì)變量的讀取賦值等操作必須在自己的工作內(nèi)存中進(jìn)行，在操作之前先把變量從主內(nèi)存中復(fù)制到自己的工作內(nèi)存中，然后對(duì)變量進(jìn)行操作，操作完成后再把變量寫(xiě)回主內(nèi)存。線程不能直接操作主內(nèi)存中的變量，線程的工作內(nèi)存中存放的是主內(nèi)存中變量的副本。

原子性（Atomicity）

什么是原子性

原子性是指：在一次或者多次操作時(shí)，要么所有操作都被執(zhí)行，要么所有操作都不執(zhí)行。

一般說(shuō)到原子性都會(huì)以銀行轉(zhuǎn)賬作為例子，比如張三向李四轉(zhuǎn)賬100塊錢(qián)，這包含了兩個(gè)原子操作：在張三的賬戶上減少100塊錢(qián)；在李四的賬戶上增加100塊錢(qián)。這兩個(gè)操作必須保證原子性的要求，要么都執(zhí)行成功，要么都執(zhí)行失敗。不能出現(xiàn)張三的賬戶減少100塊錢(qián)而李四的賬戶沒(méi)增加100塊錢(qián)，也不能出現(xiàn)張三的賬戶沒(méi)減少100塊錢(qián)而李四的賬戶卻增加100塊錢(qián)。

原子性示例

示例一

i = 1;

根據(jù)上面介紹的Java內(nèi)存模型，線程先把i=1寫(xiě)入工作內(nèi)存中，然后再把它寫(xiě)入主內(nèi)存，就此賦值語(yǔ)句可以說(shuō)是具有原子性。

示例二

i = j;

這個(gè)賦值操作實(shí)際上包含兩個(gè)步驟：線程從主內(nèi)存中讀取j的值，然后把它存入當(dāng)前線程的工作內(nèi)存中；線程把工作內(nèi)存中的i改為j的值，然后把i的值寫(xiě)入主內(nèi)存中。雖然這兩個(gè)步驟都是原子性的操作，但是合在一起就不是原子性的操作。

示例三

i++;

這個(gè)自增操作實(shí)際上包含三個(gè)步驟：線程從主內(nèi)存中讀取i的值，然后把它存入當(dāng)前線程的工作內(nèi)存中；線程把工作內(nèi)存中的i執(zhí)行加1操作；線程再把i的值寫(xiě)入主內(nèi)存中。和上一個(gè)示例一樣，雖然這三個(gè)步驟都是原子性的操作，但是合在一起就不是原子性的操作。

從上面三個(gè)示例中，我們可以發(fā)現(xiàn)：簡(jiǎn)單的讀取和賦值操作是原子性的，但把一個(gè)變量賦值給另一個(gè)變量就不是原子性的了；多個(gè)原子性的操作放在一起也不是原子性的。

如何保證原子性

在Java內(nèi)存模型中，只保證了基本讀取和賦值的原子性操作。如果想保證多個(gè)操作的原子性，需要使用synchronized關(guān)鍵字或者Lock相關(guān)的工具類(lèi)。如果想要使int、long等類(lèi)型的自增操作具有原子性，可以用java.util.concurrent.atomic包下的工具類(lèi)，如：AtomicInteger、AtomicLong等。另外需要注意的是，volatile關(guān)鍵字不具有保證原子性的語(yǔ)義。

可見(jiàn)性（Visibility）

什么是可見(jiàn)性

可見(jiàn)性是指：當(dāng)一個(gè)線程對(duì)共享變量進(jìn)行修改后，另外一個(gè)線程可以立即看到該變量修改后的最新值。

可見(jiàn)性示例

package onemore.study;import java.text.SimpleDateFormat; import java.util.Date;public class VisibilityTest {public static int count = 0;public static void main(String[] args) {final SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss.SSS");//讀取count值的線程new Thread(() -> {System.out.println("開(kāi)始讀取count...");int i = count;//存放count的更新前的值while (count < 3) {if (count != i) {//當(dāng)count的值發(fā)生改變時(shí)，打印count被更新System.out.println(sdf.format(new Date()) + " count被更新為" + count);i = count;//存放count的更新前的值}}}).start();//更新count值的線程new Thread(() -> {for (int i = 1; i <= 3; i++) {//每隔1秒為count賦值一次新的值try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(sdf.format(new Date()) + " 賦值count為" + i);count = i;}}).start();} }

在運(yùn)行代碼之前，先想一下運(yùn)行的輸出是什么樣子的？在更新count值的線程中，每一次更新count以后，在讀取count值的線程中都會(huì)有一次輸出嘛？讓我們來(lái)看一下運(yùn)行輸出是什么：

開(kāi)始讀取count... 17:21:54.796 賦值count為1 17:21:55.798 賦值count為2 17:21:56.799 賦值count為3

從運(yùn)行的輸出看出，讀取count值的線程一直沒(méi)有讀取到count的最新值，這是為什么呢？因?yàn)樵谧x取count值的線程中，第一次讀取count值時(shí)，從主內(nèi)存中讀取count的值后寫(xiě)入到自己的工作內(nèi)存中，再?gòu)墓ぷ鲀?nèi)存中讀取，之后的讀取的count值都是從自己的工作內(nèi)存中讀取，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)更新count值的線程對(duì)count值的修改。

如何保證可見(jiàn)性

在Java中可以用以下3種方式保證可見(jiàn)性。

使用volatile關(guān)鍵字

當(dāng)一個(gè)變量被volatile關(guān)鍵字修飾時(shí)，其他線程對(duì)該變量進(jìn)行了修改后，會(huì)導(dǎo)致當(dāng)前線程在工作內(nèi)存中的變量副本失效，必須從主內(nèi)存中再次獲取，當(dāng)前線程修改工作內(nèi)存中的變量后，同時(shí)也會(huì)立刻將其修改刷新到主內(nèi)存中。

使用synchronized關(guān)鍵字

synchronized關(guān)鍵字能夠保證同一時(shí)刻只有一個(gè)線程獲得鎖，然后執(zhí)行同步方法或者代碼塊，并且確保在鎖釋放之前，會(huì)把變量的修改刷新到主內(nèi)存中。

使用Lock相關(guān)的工具類(lèi)

Lock相關(guān)的工具類(lèi)的lock方法能夠保證同一時(shí)刻只有一個(gè)線程獲得鎖，然后執(zhí)行同步代碼塊，并且確保執(zhí)行Lock相關(guān)的工具類(lèi)的unlock方法在之前，會(huì)把變量的修改刷新到主內(nèi)存中。

有序性（Ordering）

什么是有序性

有序性指的是：程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。

在Java中，為了提高程序的運(yùn)行效率，可能在編譯期和運(yùn)行期會(huì)對(duì)代碼指令進(jìn)行一定的優(yōu)化，不會(huì)百分之百的保證代碼的執(zhí)行順序嚴(yán)格按照編寫(xiě)代碼中的順序執(zhí)行，但也不是隨意進(jìn)行重排序，它會(huì)保證程序的最終運(yùn)算結(jié)果是編碼時(shí)所期望的。這種情況被稱之為指令重排（Instruction Reordering）。

有序性示例

package onemore.study;public class Singleton {private Singleton (){}private static boolean isInit = false;private static Singleton instance;public static Singleton getInstance() {if (!isInit) {//判斷是否初始化過(guò)instance = new Singleton();//初始化isInit = true;//初始化標(biāo)識(shí)賦值為true}return instance;} }

這是一個(gè)有問(wèn)題的單例模式示例，假如在編譯期或運(yùn)行期時(shí)指令重排，把isInit = true;重新排序到instance = new Singleton();的前面。在單線程運(yùn)行時(shí)，程序重排后的執(zhí)行結(jié)果和代碼順序執(zhí)行的結(jié)果是完全一樣的，但是多個(gè)線程一起執(zhí)行時(shí)就極有可能出現(xiàn)問(wèn)題。比如，一個(gè)線程先判斷isInit為false進(jìn)行初始化，本應(yīng)在初始化后再把isInit賦值為true，但是因?yàn)橹噶钪嘏艣](méi)后初始化就把isInit賦值為true，恰好此時(shí)另外一個(gè)線程在判斷是否初始化過(guò)，isInit為true就執(zhí)行返回了instance，這是一個(gè)沒(méi)有初始化的instance，肯定造成不可預(yù)知的錯(cuò)誤。

如何保證有序性

這里就要提到Java內(nèi)存模型的一個(gè)叫做先行發(fā)生（Happens-Before）的原則了。如果兩個(gè)操作的執(zhí)行順序無(wú)法從Happens-Before原則推到出來(lái)，那么可以對(duì)它們進(jìn)行隨意的重排序處理了。Happens-Before原則有哪些呢？

• 程序次序原則：一段代碼在單線程中執(zhí)行的結(jié)果是有序的。
• 鎖定原則：一個(gè)鎖處于被鎖定狀態(tài)，那么必須先執(zhí)行unlock操作后面才能進(jìn)行l(wèi)ock操作。
• volatile變量原則：同時(shí)對(duì)volatile變量進(jìn)行讀寫(xiě)操作，寫(xiě)操作一定先于讀操作。
• 線程啟動(dòng)原則：Thread對(duì)象的start方法先于此線程的每一個(gè)動(dòng)作。
• 線程終結(jié)原則：線程中的所有操作都先于對(duì)此線程的終止檢測(cè)。
• 線程中斷原則：對(duì)線程interrupt方法的調(diào)用先于被中斷線程的代碼檢測(cè)到中斷事件的發(fā)生。
• 對(duì)象終結(jié)原則：一個(gè)對(duì)象的初始化完成先于它的finalize方法的開(kāi)始。
• 傳遞原則：操作A先于操作B，操作B先于操作C，那么操作A一定先于操作C。

除了Happens-Before原則提供的天然有序性，我們還可以用以下幾種方式保證有序性：

• 使用volatile關(guān)鍵字保證有序性。
• 使用synchronized關(guān)鍵字保證有序性。
• 使用Lock相關(guān)的工具類(lèi)保證有序性。

總結(jié)

• 原子性：在一次或者多次操作時(shí)，要么所有操作都被執(zhí)行，要么所有操作都不執(zhí)行。
• 可見(jiàn)性：當(dāng)一個(gè)線程對(duì)共享變量進(jìn)行修改后，另外一個(gè)線程可以立即看到該變量修改后的最新值。
• 有序性：程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。

synchronized關(guān)鍵字和Lock相關(guān)的工具類(lèi)可以保證原子性、可見(jiàn)性和有序性，volatile關(guān)鍵字可以保證可見(jiàn)性和有序性，不能保證原子性。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的学妹教你并发编程的三大特性：原子性、可见性、有序性的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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