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(chēng)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(xiàn)程，每一個(gè)線(xiàn)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(xiàn)程都可以訪問(wèn)。但是線(xiàn)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(xiàn)程不能直接操作主內(nèi)存中的變量，線(xiàn)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)
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(hù)上減少100塊錢(qián);在李四的賬戶(hù)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(hù)減少100塊錢(qián)而李四的賬戶(hù)沒(méi)增加100塊錢(qián)，也不能出現(xiàn)張三的賬戶(hù)沒(méi)減少100塊錢(qián)而李四的賬戶(hù)卻增加100塊錢(qián)。舉例如下：
示例一
i = 1;
根據(jù)上面介紹的Java內(nèi)存模型，線(xiàn)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(xiàn)程從主內(nèi)存中讀取j的值，然后把它存入當(dāng)前線(xiàn)程的工作內(nèi)存中;線(xiàn)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(xiàn)程從主內(nèi)存中讀取i的值，然后把它存入當(dāng)前線(xiàn)程的工作內(nèi)存中;線(xiàn)程把工作內(nèi)存中的i執(zhí)行加1操作;線(xiàn)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(xiàn)程對(duì)共享變量進(jìn)行修改后，另外一個(gè)線(xiàn)程可以立即看到該變量修改后的最新值。
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(xiàn)程對(duì)該變量進(jìn)行了修改后，會(huì)導(dǎo)致當(dāng)前線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(chēng)之為指令重排(Instruction Reordering)。
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(xiàn)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(xiàn)程啟動(dòng)原則：Thread對(duì)象的start方法先于此線(xiàn)程的每一個(gè)動(dòng)作。
線(xiàn)程終結(jié)原則：線(xiàn)程中的所有操作都先于對(duì)此線(xiàn)程的終止檢測(cè)。
線(xiàn)程中斷原則：對(duì)線(xiàn)程interrupt方法的調(diào)用先于被中斷線(xiàn)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(xiàn)程對(duì)共享變量進(jìn)行修改后，另外一個(gè)線(xiàn)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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