并发编程中的原子性，可见性，有序性问题

news2024/11/20 4:46:28

前言：大家好，我是小威，24届毕业生，在一家满意的公司实习。本篇文章是关于并发编程中出现的原子性，可见性，有序性问题。
本篇文章记录的基础知识，适合在学Java的小白，也适合复习中，面试中的大佬🤩🤩。
如果文章有什么需要改进的地方还请大佬不吝赐教👏👏。
小威在此先感谢各位大佬啦~~🤞🤞
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以下正文开始
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文章目录

原子性
可见性
有序性

原子性

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首先看到的这个原子性，对于我们肯定都不陌生，因为在接触数据库的四大特性的时候就遇到过（原子性，一致性，隔离性，持久性）。在数据库中，原子性是指事务包含的所有操作要么全部成功,要么全部失败回滚。当然此时说的原子性操作也类似，即线程执行一系列操作，这些操作都会被看着一个不可分割的整体，要么全部执行，要么全部不执行。

原子性是指，CPU在执行一个或多个操作的过程具有原子性，它们是一个不可分割的整体，在执行的过程中不会被中断。
举例来说明，几天是个好日子，你的老板看你工作劲头不错，要给你发10000元奖金，而进行转账包含两个操作，老板的银行卡上扣除10000元，你的银行卡上增加10000元，而这两个操作就是一个不可分割的整体，要么两个操作全部执行，要么全部不执行，不能单独出现只有老板银行卡扣除money或者只有你的银行卡增加money的情况。

那我们来深究原子性问题，什么原因导致了原子性问题？
就上面的例子来讲，两个操作是不可分割的，当CPU正在执行老板银行卡扣除money的操作时，此时还没有提交完成，CPU突然切换到你的银行卡增加money操作，这就会出错。

因此，原子性产生的原因还是线程的切换。如果线程正在执行一项操作，发生了线程切换，CPU去执行另一项操作，中断了线程执行的任务，就会产生原子性问题。

回归到更常见的例子，我们在写程序的初始阶段，肯定都写过以下这样的代码：

private int i =0；
public void add(){
    i++;
}

在单线程情况下，这段代码不会发生的问题，但是在多线程并发的情况下，这段代码可能会发生问题。因为i++，++i等操作并非是原子性操作。这大致上包含三个步骤，1.将变量i从内存中加载到CPU的寄存器中；2.在CPU的寄存器中执行i++或++i的操作；3.将运算的i++的结果写入缓存中。因此在多线程访问时，有可能出现，线程1读取了i的值，线程2也读取了i的值，线程2将i的值进行+1并将i的值写入内存，但是这种情况下，线程1读到的i的值还是原始的那个，因此很容易出现多线程并发上的错误。

再多说一点，对于这种情况，我们可以用加锁和volatile的方法来解决多线程的问题，即：

private volatile int i =0；
public synchronized void add(){
    i++;
}

但是加锁的方式可能会影响线程执行的效率，因为当线程1拿到锁，线程2无法执行方法，只能等线程1释放锁后再获得CPU的使用权，当线程1执行的时候，线程2处于阻塞状态，所以可能会影响线程的执行效率。

当然在Java中也有一些原子类，他们专门可以保证原子操作，此类位于package java.util.concurrent.atomic包中，这个在后面会详细介绍，大佬感兴趣的话可以先看源码。
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因此做个总结，如果线程在执行的过程中发生线程切换，使得线程暂停当前的任务而去执行其他的任务，可能会发生原子性问题。

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可见性

可见性指的是，在多线程下，一个线程修改了共享变量，其他线程能立即读取到共享变量的最新值。无论共享变量如何变化，其他线程总是能够及时读取到共享变量的最新的值。

当线程在串行程序中执行或者线程是在单核CPU情况下执行时，不会出现线程之间的可见性问题。因为在单核CPU中，即使有很多线程，但是一个时刻，CPU只能执行一个线程，也就是说只有一个线程来抢到CPU的资源，来对CPU缓存进行读写操作，在这个线程放弃CPU停止执行任务时，其他线程会对同一个CPU缓存进行读写操作，并且会读取CPU缓存中的最新值，所以不会发生线程的可见性问题。

而在多核CPU下恰恰相反，因为多核CPU下，每个CPU核心都有自己各自的缓存，多个线程在读取主内存的共享变量时，会把主内存中的共享变量复制到线程的私有内存中，每个线程在对数据进行读写操作时，都会直接操作自身工作内存的数据。
举例说明，此时线程1和线程2运行在两个不同的CPU核心中，线程1和线程2同时将主内存中的共享变量i复制到自己的CPU缓存中，进行读写操作，但是线程2无法及时读取都线程1中共享变量i的值，线程1也无法及时读取到线程2中共享变量i的值。所以线程1和线程2对共享变量i存在有可见性问题。

因此综上所述，多个线程在多个CPU上运行，会出现可见性问题，所以造成可见性的根本原因就是CPU的缓存机制。在串行程序和单核CPU上不存在可见性问题。

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有序性

有序性，顾名思义，就是有顺序，按顺序执行。在并发编程中亦是如此。有序性是指能够按照编写代码的顺序执行，但是为了提高程序的执行性能和编译性能，计算机和编译器有时候会修改程序的执行顺序。然而，在多线程情况下，编译器对执行顺序的修改可能会造成错误。

下面举例来说明会出现有序性的情况。

在创建单例对象时，使用到了双重检测机制，在并发情况下，可能会出现问题。以下是创建单例对象的方法：

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

假设现在有线程1和线程2，同时执行getInstance()方法获取instance的对象实例，当进行if判断时，instance均为null，此时由于方法加了synchronized锁，只能有一个线程获取锁，另一个线程阻塞，假如线程1获取了锁，创建了对象，执行完成后释放锁，线程2获取锁，发现此时instance不为null，因此不会再创建对象了。

我们在前面也说了new一个对象包括三个步骤：1.为对象分配内存空间；2.初始化对象；3.将对象的引用指向内存空间。

在正常情况下程序是按照顺序执行的，但是如果CPU对对象进行重排序，把第三个步骤排到了第二个步骤的前面，在并发情况下可能就会发生错误。

分析：假设线程1和线程2都进入到了if判断阶段，如果线程1获取了锁，进入到了代码块里，在new对象时，JVM会在堆中为对象找到一块存储空间，并且线程1会将instance的引用指向该内存空间，但是此时并没有为对象进行初始化，因此还是空对象，当线程切换到线程2时，首先会拿到锁，进入到代码块中去，由于instance是空对象，在使用instance时，就可能会出错。

综上，出现此错误的原因就是，编译器修改了创建对象的执行顺序，导致在多线程并发情况下，程序出现了错误。因此出现有序性的根本原因就是编译器修改了程序的执行顺序。

本篇文章就分享到这里了，后续还有其他这方面的内容，感谢大佬认真读完支持咯 ~
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