Java中如何實現多線程的可見性與有序性

Java中如何實現多線程的可見性與有序性？針對這個問題，這篇文章詳細介紹了相對應的分析和解答，希望可以幫助更多想解決這個問題的小伙伴找到更簡單易行的方法。

多線程的可見性

一個線程對共享變量值的修改，能夠及時的被其他線程看到。

共享變量

如果一個變量在多個線程的工作內存中都存在副本，那么這個變量就是這幾個線程的共享變量。
Java內存模型

JMM（Java Memory Model，簡稱JMM）描述了Java程序中各種變量（線程共享變量）的訪問規則，以及在JVM中將變量存儲到內存和從內存中讀取出變量這樣的底層細節。它遵循四個原則：

1. 所有的變量都存儲在主內存中

2. 每個線程都有自己獨立的工作內存，里面保存該線程使用到的變量的副本（主內存中該變量的一份拷貝）

3. 線程對共享變量的所有操作都必須在自己的工作內存中進行，不能直接從主內存中讀寫

4. 不同線程之間無法直接訪問其他線程工作內存中的變量，線程間變量的傳遞需要通過主內存來完成

共享變量可見性實現的原理

線程1對共享變量的修改要想被線程2及時看到，必須經過如下2個步驟：

1. 把工作內存1中更新過的共享變量刷新到主內存中

2. 將主內存中最新的共享變量的值更新到工作內存2中

Java的內存模型：

Java語言層面支持的可見性實現方式有以下兩種：

• synchronized

• volatile

synchronized

JMM關于synchronized的規定：

• 線程解鎖前，必須把共享變量的最新值刷新到主內存中

• 線程加鎖時，將清空工作內存中存儲的共享變量的值，從而使用共享變量時，必須從主內存中重新讀取最新的值。（注意：解鎖和加鎖，是指同一把鎖）

因此線程執行synchronized代碼執行互斥鎖的過程：

1. 獲得互斥鎖。

2. 清空工作內存。

3. 從主內存拷貝變量的最新副本到工作內存。

4. 執行代碼

5. 將更改后的共享變量的值刷新到主內存中

6. 釋放互斥鎖

synchronize在JDK6之后，不單單是互斥鎖。

volatile

不能保證原子性，但適合使用volatile修飾狀態標記量
通過加入內存屏障和禁止重排序優化來實現的

• 在每個volatile寫操作前插入StoreStore屏障，在寫操作后插入StoreLoad屏障

• 在每個volatile讀操作前插入LoadLoad屏障，在讀操作后插入LoadStore屏障

通俗地講：volatile變量在每次被線程訪問時，都強迫從主內存中重讀該變量的值，而當該變量發生變化時，又會強迫將最新的值刷新到主內存。這樣任何時刻，不同的線程總能看到該變量的最新值。

volatile寫操作：

volatile讀操作：

多線程的有序性

在Java內存模型中，允許編譯器和處理器對指令進行重排序，但是重排序過程不會影響到單線程程序的執行，卻會影響到多線程并發執行的正確性。

指令重排序：代碼書寫的順序與實際執行的順序不同，指令重排序是編譯器或者處理器為了提高程序性能而做的優化。

• 編譯器優化的重排序（編譯器優化）

• 指令集并行重排序（處理器優化）

• 內存系統的重排序（處理器優化）

happens-before原則

JMM可以通過happens-before關系向程序員提供跨線程的內存可見性保證（如果A線程的寫操作a與B線程的讀操作b之間存在happens-before關系，盡管a操作和b操作在不同的線程中執行，但JMM向程序員保證a操作將對b操作可見）。

• 程序次序規則：在一個線程內一段代碼的執行結果是有序的。就是還會指令重排，但是隨便它怎么排，結果是按照我們代碼的順序生成的不會變！

• 管程鎖定規則：就是無論是在單線程環境還是多線程環境，對于同一個鎖來說，一個線程對這個鎖解鎖之后，另一個線程獲取了這個鎖都能看到前一個線程的操作結果！(管程是一種通用的同步原語，synchronized就是管程的實現）

• volatile變量規則：就是如果一個線程先去寫一個volatile變量，然后一個線程去讀這個變量，那么這個寫操作的結果一定對讀的這個線程可見。

• 傳遞規則：happens-before原則具有傳遞性，即A happens-before B ， B happens-before C，那么A happens-before C。

• 線程啟動規則：在主線程A執行過程中，啟動子線程B，那么線程A在啟動子線程B之前對共享變量的修改結果對線程B可見。

• 線程終止規則：在主線程A執行過程中，子線程B終止，那么線程B在終止之前對共享變量的修改結果在線程A中可見。

• 線程中斷規則：對線程interrupt()方法的調用先行發生于被中斷線程代碼檢測到中斷事件的發生，可以通過Thread.interrupted()檢測到是否發生中斷。

• 對象終結規則：一個對象的初始化的完成，也就是構造函數執行的結束一定 happens-before它的finalize()方法。

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