Java併發之原子性、有序性、可見性

小白程式之路發表於2019-03-05

原子性

原子性指的是一個或者多個操作在 CPU 執行的過程中不被中斷的特性

執行緒切換 帶來的原子性問題

Java 併發程式都是基於多執行緒的，作業系統為了充分利用CPU的資源，將CPU分成若干個時間片，在多執行緒環境下，執行緒會被作業系統排程進行任務切換。

為了直觀的瞭解什麼是原子性，我們看下下面哪些操作是原子性操作

int count = 0; //1
count++;       //2
int a = count; //3
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上面展示語句中，除了語句1是原子操作，其它兩個語句都不是原子性操作，下面我們來分析一下語句2

其實語句2在執行的時候，包含三個指令操作

指令 1：首先，需要把變數 count 從記憶體載入到 CPU的暫存器
指令 2：之後，在暫存器中執行 +1 操作；
指令 3：最後，將結果寫入記憶體

對於上面的三條指令來說，如果執行緒 A 在指令 1 執行完後做執行緒切換，執行緒 A 和執行緒 B 按照下圖的序列執行，那麼我們會發現兩個執行緒都執行了 count+=1 的操作，但是得到的結果不是我們期望的 2，而是 1。

作業系統做任務切換，可以發生在任何一條CPU 指令執行完

有序性

有序性指的是程式按照程式碼的先後順序執行

**編譯優化 **帶來的有序性問題

為了效能優化，編譯器和處理器會進行指令重排序，有時候會改變程式中語句的先後順序，比如程式：

a = 5;     //1
b = 20;    //2
c = a + b; //3
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編譯器優化後可能變成

b = 20;    //1
a = 5;     //2
c = a + b; //3
複製程式碼

在這個例子中，編譯器調整了語句的順序，但是不影響程式的最終結果

synchronized（具有有序性、原子性、可見性）表示鎖在同一時刻只能由一個執行緒進行獲取，當鎖被佔用後，其他執行緒只能等待。

在單例模式的實現上有一種雙重檢驗鎖定的方式（Double-checked Locking）

public class Singleton {
  static Singleton instance;
  static Singleton getInstance(){
    if (instance == null) {
      synchronized(Singleton.class) {
        if (instance == null)
          instance = new Singleton();
        }
    }
    return instance;
  }
}
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我們先看 instance = new Singleton() 的未被編譯器優化的操作

指令 1：分配一塊記憶體 M；
指令 2：在記憶體 M 上初始化 Singleton 物件；
指令 3：然後 M 的地址賦值給 instance 變數。

編譯器優化後的操作指令

指令 1：分配一塊記憶體 M；
指令 2：將 M 的地址賦值給 instance 變數；
指令 3：然後在記憶體 M 上初始化 Singleton 物件。

現在有A，B兩個執行緒，我們假設執行緒A先執行getInstance()方法，當執行編譯器優化後的操作指令2時（此時候未完成物件的初始化），這時候發生了執行緒切換，那麼執行緒B進入，剛好執行到第一次判斷 instance==null會發現instance不等於null了，所以直接返回instance，而此時的 instance 是沒有初始化過的。

現行的比較通用的做法就是採用靜態內部類的方式來實現

public class SingletonDemo {
    private SingletonDemo() {
    }
    private static class SingletonDemoHandler{
        private static SingletonDemo instance = new SingletonDemo();
    }
    public static SingletonDemo getInstance() {
        return SingletonDemoHandler.instance;
    }
}
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