在java中，執(zhí)行下面這個語句

int i =12;

執(zhí)行線程必須先在自己的工作線程中對變量i所在的緩存行進行賦值操作，然后再寫入主存當中。而不是直接將數(shù)值10寫入主存（物理內(nèi)存）當中。

1 原子性

定義：即一個操作或者多個操作 要么全部執(zhí)行并且執(zhí)行的過程不會被任何因素打斷，要么就都不執(zhí)行。
舉個最簡單的例子，大家想一下假如為一個32位的變量賦值過程不具備原子性的話，會發(fā)生什么后果？

int i =12;

假若一個線程執(zhí)行到這個語句時，暫且假設為一個32位的變量賦值包括兩個過程：為低16位賦值，為高16位賦值。
那么就可能發(fā)生一種情況：當將低16位數(shù)值寫入之后，突然被中斷，而此時又有一個線程去讀取i的值，那么讀取到的就是錯誤的數(shù)據(jù)。

1.1 java中的原子性操作

在Java中，對基本數(shù)據(jù)類型的變量的讀取和賦值操作是原子性操作，即這些操作是不可被中斷的，要么執(zhí)行，要么不執(zhí)行。

例如：

int x = 10;     //語句1
int y = x;     //語句2
x++;           //語句3
x = x + 1;     //語句4

語句1是直接將數(shù)值10賦值給x，也就是說線程執(zhí)行這個語句的會直接將數(shù)值10寫入到工作內(nèi)存中，所以是原子性操作。

語句2實際上包含2個操作，它先要去讀取x的值，再將y的值寫入主存，雖然讀取x的值以及 將y的值寫入主存 這2個操作都是原子性操作，但是合起來就不是原子性操作了。
語句3 語句4 同理，先將x的值讀取到高速緩存中，然后+1賦值后，再寫入到主存中。

也就是說，只有簡單的讀取、賦值（而且必須是將數(shù)字賦值給某個變量，變量之間的相互賦值不是原子操作）才是原子操作。

2 可見性

定義：指當多個線程訪問同一個變量時，一個線程修改了這個變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。

2.1 可見性問題

例如：

//線程1
int i =12;
i=13;

//線程2 
int j=i;

假若執(zhí)行線程1的是CPU1，執(zhí)行線程2的是CPU2。當線程1執(zhí)行 i =13這句時，會先把i的初始值加載到CPU1的高速緩存中，然后賦值為13，那么在CPU1的高速緩存當中i的值變?yōu)?3了，卻沒有立即寫入到主存當中。

此時線程2執(zhí)行 j = i，它會先去主存讀取i的值并加載到CPU2的緩存當中，注意此時內(nèi)存當中i的值還是12，那么就會使得j的值為12，而不是13。

這就是可見性問題，也就是說 i 的值在線程一中修改了，沒有通知其他線程更新而導致的數(shù)據(jù)錯亂。

2.2 解決可見性問題

Java提供了volatile關鍵字來保證可見性。

也就是說當一個共享變量被volatile修飾時，它會保證修改的值會立即被更新到主存，當有其他線程需要讀取時，它會去內(nèi)存中讀取新值。

3 有序性

定義：即程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。

3.1 單個線程內(nèi)程序的指令重排序

例如：

int i = 0;              
boolean flag = false;
i = 1;                //語句1  
flag = true;          //語句2

按照我們?nèi)粘５乃季S，程序的執(zhí)行過程是從上至下一行一行執(zhí)行的，就是說按照代碼的順序來執(zhí)行，那么JVM在實際中一定會這樣嗎？？？ 答案是否定的，這里可能會發(fā)生指令重排序（Instruction Reorder）。

指令重排序（Instruction Reorder） 是指： 處理器為了提高程序運行效率，可能會對輸入代碼進行優(yōu)化，它不保證程序中各個語句的執(zhí)行先后順序同代碼中的順序一致，但是它會保證程序最終執(zhí)行結(jié)果和代碼順序執(zhí)行的結(jié)果是一致的。

在Java內(nèi)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(zhí)行，卻會影響到多線程并發(fā)執(zhí)行的正確性。

比如上面的代碼中，語句1和語句2誰先執(zhí)行對最終的程序結(jié)果并沒有影響，那么就有可能在執(zhí)行過程中，語句2先執(zhí)行而語句1后執(zhí)行。

需要注意的是：處理器在進行重排序時是會考慮指令之間的數(shù)據(jù)依賴性，如果一個指令Instruction 2必須用到Instruction 1的結(jié)果，那么處理器會保證Instruction 1會在Instruction 2之前執(zhí)行。

3.2 多線程內(nèi)程序的指令重排序

重排序不會影響單個線程內(nèi)程序執(zhí)行的結(jié)果，但是多線程就不一定了。

//線程1:
context = loadContext();   //語句1
inited = true;             //語句2
 
//線程2:
while(!inited ){
  sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

上面代碼中，由于語句1和語句2沒有數(shù)據(jù)依賴性，因此可能會被重排序。假如發(fā)生了重排序，在線程1執(zhí)行過程中先執(zhí)行語句2，而此是線程2會以為初始化工作已經(jīng)完成，那么就會跳出while循環(huán)，去執(zhí)行doSomethingwithconfig(context)方法，而此時context并沒有被初始化，就會導致程序出錯。

3.3 保證有序性的解決方法

在Java里面，可以通過volatile關鍵字來保證一定的“有序性”。
當然可以通過synchronized和Lock來保證有序性，很顯然，synchronized和Lock保證每個時刻是有一個線程執(zhí)行同步代碼，相當于是讓線程順序執(zhí)行同步代碼，自然就保證了有序性。

3.4 volatile 保證有序性的原理

volatile關鍵字能禁止指令重排序，所以volatile能在一定程度上保證有序性，也就是說：

當程序執(zhí)行到volatile變量的讀操作或者寫操作時，在其前面的操作的更改肯定全部已經(jīng)進行，且結(jié)果已經(jīng)對后面的操作可見；在其后面的操作肯定還沒有進行；

在進行指令優(yōu)化時，不能將在對volatile變量訪問的語句放在其后面執(zhí)行，也不能把volatile變量后面的語句放到其前面執(zhí)行。

4 實例分析

public class Test {
    public volatile int inc = 0;
     
    public void increase() {
        inc++;
    }
     
    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<1000;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }
         
        while(Thread.activeCount()>1)  //保證前面的線程都執(zhí)行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

一般說來 有10個線程分別進行了1000次操作，那么最終inc的值應該是1000*10=10000。但實際中并不是這樣，進行過測試后會發(fā)現(xiàn)，每次執(zhí)行結(jié)束后，得到的都是一個比10000要小的值。

4.1 原理分析

自增操作是不具備原子性的，它包括讀取變量的原始值到高速緩存中、進行加1操作、寫入主存中這三個過程。
也就是說自增操作的三個子操作可能會分割開執(zhí)行，就有可能導致下面這種情況出現(xiàn)：

假如某個時刻變量inc的值為10，
線程1對變量進行自增操作，線程1先讀取了變量inc的原始值，然后線程1被阻塞了；
然后線程2對變量進行自增操作，線程2也去讀取變量inc的原始值,
此時 變量inc的值還沒有任何改變，此時線程2拿到的值也為10，然后進行加1操作，然后將值11寫入到主存中，
然后線程1繼續(xù)進行加1操作 這里線程1中 inc的值依然為10，進行加1操作，然后將值11寫入到主存中

那么兩個線程分別進行了一次自增操作后，inc只增加了1。

4.2 synchronized 結(jié)合

public class Test {
    public  int inc = 0;
    
    public synchronized void increase() {
        inc++;
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<1000;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }
        
        while(Thread.activeCount()>1)  //保證前面的線程都執(zhí)行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

4.3 Lock 結(jié)合

public class Test {
    public  int inc = 0;
    Lock lock = new ReentrantLock();
    
    public  void increase() {
        lock.lock();
        try {
            inc++;
        } finally{
            lock.unlock();
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<1000;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }
        
        while(Thread.activeCount()>1)  //保證前面的線程都執(zhí)行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

4.4 使用AtomicInteger替換int

public class Test {
    public  AtomicInteger inc = new AtomicInteger();
     
    public  void increase() {
        inc.getAndIncrement();
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<1000;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }
        
        while(Thread.activeCount()>1)  //保證前面的線程都執(zhí)行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

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