面試官：“對java并發(fā)了解怎么樣？”?

應(yīng)聘者：“還可以…” ?

面試官：“為了保證線程安全，Java并發(fā)有哪幾個基本特性呢？” ?

應(yīng)聘者：“有三條基本性質(zhì)，原子性、可見性、有序性” ?

面試官:? “具體解釋下這三個特性？” ?

應(yīng)聘者：“bala。bala。bala。。”?

Java內(nèi)存模型是圍繞著并發(fā)過程中如何處理原子性、可見性、有序性這三個特征來建立的，下面是這三個特性的實(shí)現(xiàn)原理：原子性(Atomicity)

由Java內(nèi)存模型來直接保證的原子性變量操作包括read、load、use、assign、store和write六個，大致可以認(rèn)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型的訪問和讀寫是具備原子性的。如果應(yīng)用場景需要一個更大范圍的原子性保證，Java內(nèi)存模型還提供了lock和unlock操作來滿足這種需求，盡管虛擬機(jī)未把lock與unlock操作直接開放給用戶使用，但是卻提供了更高層次的字節(jié)碼指令monitorenter和monitorexit來隱匿地使用這兩個操作，這兩個字節(jié)碼指令反映到Java代碼中就是同步塊—synchronized關(guān)鍵字，因此在synchronized塊之間的操作也具備原子性。

Java中的原子操作包括：

1）除long和double之外的基本類型的賦值操作?
2）所有引用reference的賦值操作?
3）java.concurrent.Atomic.* 包中所有類的一切操作。

但是java對long和double的賦值操作是非原子操作！long和double占用的字節(jié)數(shù)都是8，也就是64bits。在32位操作系統(tǒng)上對64位的數(shù)據(jù)的讀寫要分兩步完成，每一步取32位數(shù)據(jù)。這樣對double和long的賦值操作就會有問題：如果有兩個線程同時寫一個變量內(nèi)存，一個進(jìn)程寫低32位，而另一個寫高32位，這樣將導(dǎo)致獲取的64位數(shù)據(jù)是失效的數(shù)據(jù)。因此需要使用volatile關(guān)鍵字來防止此類現(xiàn)象。volatile本身不保證獲取和設(shè)置操作的原子性，僅僅保持修改的可見性。但是java的內(nèi)存模型保證聲明為volatile的long和double變量的get和set操作是原子的。

public?class?UnatomicLong?implements?Runnable?{????private?static?long?test?=?0;????private?final?long?val;????public?UnatomicLong(long?val)?{????????this.val?=?val;????}????@Override????public?void?run()?{????????while?(!Thread.interrupted())?{????????????test?=?val;?//兩個線程都試圖將自己的私有變量val賦值給類私有靜態(tài)變量test????????}????}????public?static?void?main(String[]?args)?{????????Thread?t1?=?new?Thread(new?UnatomicLong(-1));????????Thread?t2?=?new?Thread(new?UnatomicLong(0));????????System.out.println(Long.toBinaryString(-1));????????System.out.println(pad(Long.toBinaryString(0),?64));????????t1.start();????????t2.start();????????long?val;????????while?((val?=?test)?==?-1?||?val?==?0)?{????????//如果靜態(tài)成員test的值是-1或0，說明兩個線程操作沒有交叉????????}????????System.out.println(pad(Long.toBinaryString(val),?64));????????System.out.println(val);????????t1.interrupt();????????t2.interrupt();????}????//?prepend?0s?to?the?string?to?make?it?the?target?length????private?static?String?pad(String?s,?int?targetLength)?{????????int?n?=?targetLength?-?s.length();????????for?(int?x?=?0;?x?<?n;?x++)?{????????????s?=?"0"?+?s;????????}????????return?s;????}}

運(yùn)行發(fā)現(xiàn)程序在while循環(huán)時進(jìn)入了死循環(huán)，這是因?yàn)槭褂玫腏VM是64bits。在64位JVM中double和long的賦值操作是原子操作。?
在eclipse中修改jre為一個32bit的JVM地址，則會有如下運(yùn)行結(jié)果：

1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111?0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000?0000000000000000000000000000000011111111111111111111111111111111?//很明顯test的值被破壞了?4294967295

可見性(Visibility)

可見性就是指當(dāng)一個線程修改了線程共享變量的值，其它線程能夠立即得知這個修改。Java內(nèi)存模型是通過在變量修改后將新值同步回主內(nèi)存，在變量讀取前從主內(nèi)存刷新變量值這種依賴主內(nèi)存作為傳遞媒介的方法來實(shí)現(xiàn)可見性的，無論是普通變量還是volatile變量都是如此，普通變量與volatile變量的區(qū)別是volatile的特殊規(guī)則保證了新值能立即同步到主內(nèi)存，以及每使用前立即從內(nèi)存刷新。因?yàn)槲覀兛梢哉fvolatile保證了線程操作時變量的可見性，而普通變量則不能保證這一點(diǎn)。

除了volatile之外，Java還有兩個關(guān)鍵字能實(shí)現(xiàn)可見性，它們是synchronized。同步塊的可見性是由“對一個變量執(zhí)行unlock操作之前，必須先把此變量同步回主內(nèi)存中(執(zhí)行store和write操作)”這條規(guī)則獲得的，而final關(guān)鍵字的可見性是指：被final修飾的字段是構(gòu)造器一旦初始化完成，并且構(gòu)造器沒有把“this”引用傳遞出去，那么在其它線程中就能看見final字段的值。

Lock也可以保證可見性，因?yàn)樗梢员ＷC任一時刻只有一個線程能訪問共享資源，并在其釋放鎖之前將修改的變量刷新到內(nèi)存中。有序性(Ordering)

Java內(nèi)存模型中的程序天然有序性可以總結(jié)為一句話：如果在本線程內(nèi)觀察，所有操作都是有序的；如果在一個線程中觀察另一個線程，所有操作都是無序的。前半句是指“線程內(nèi)表現(xiàn)為串行語義”，后半句是指“指令重排序”現(xiàn)象和“工作內(nèi)存主主內(nèi)存同步延遲”現(xiàn)象。

Java語言提供了volatile和synchronized兩個關(guān)鍵字來保證線程之間操作的有序性，volatile關(guān)鍵字本身就包含了禁止指令重排序的語義，而synchronized則是由“一個變量在同一時刻只允許一條線程對其進(jìn)行l(wèi)ock操作”這條規(guī)則來獲得的，這個規(guī)則決定了持有同一個鎖的兩個同步塊只能串行地進(jìn)入。

先行發(fā)生原則：

如果Java內(nèi)存模型中所有的有序性都只靠volatile和synchronized來完成，那么有一些操作將會變得很啰嗦，但是我們在編寫Java并發(fā)代碼的時候并沒有感覺到這一點(diǎn)，這是因?yàn)镴ava語言中有一個“先行發(fā)生”(Happen-Before)的原則。這個原則非常重要，它是判斷數(shù)據(jù)是否存在競爭，線程是否安全的主要依賴。

先行發(fā)生原則是指Java內(nèi)存模型中定義的兩項(xiàng)操作之間的依序關(guān)系，如果說操作A先行發(fā)生于操作B，其實(shí)就是說發(fā)生操作B之前，操作A產(chǎn)生的影響能被操作B觀察到，“影響”包含了修改了內(nèi)存中共享變量的值、發(fā)送了消息、調(diào)用了方法等。它意味著什么呢？如下例：

//線程A中執(zhí)行i?=?1;//線程B中執(zhí)行j?=?i;//線程C中執(zhí)行i?=?2;

假設(shè)線程A中的操作”i=1“先行發(fā)生于線程B的操作”j=i“，那么我們就可以確定在線程B的操作執(zhí)行后，變量j的值一定是等于1，結(jié)出這個結(jié)論的依據(jù)有兩個，一是根據(jù)先行發(fā)生原則，”i=1“的結(jié)果可以被觀察到；二是線程C登場之前，線程A操作結(jié)束之后沒有其它線程會修改變量i的值。現(xiàn)在再來考慮線程C，我們依然保持線程A和B之間的先行發(fā)生關(guān)系，而線程C出現(xiàn)在線程A和B操作之間，但是C與B沒有先行發(fā)生關(guān)系，那么j的值可能是1，也可能是2，因?yàn)榫€程C對應(yīng)變量i的影響可能會被線程B觀察到，也可能觀察不到，這時線程B就存在讀取到過期數(shù)據(jù)的風(fēng)險，不具備多線程的安全性。

下面是Java內(nèi)存模型下一些”天然的“先行發(fā)生關(guān)系，這些先行發(fā)生關(guān)系無須任何同步器協(xié)助就已經(jīng)存在，可以在編碼中直接使用。如果兩個操作之間的關(guān)系不在此列，并且無法從下列規(guī)則推導(dǎo)出來的話，它們就沒有順序性保障，虛擬機(jī)可以對它們進(jìn)行隨意地重排序。

a.程序次序規(guī)則(Pragram Order Rule)：在一個線程內(nèi)，按照程序代碼順序，書寫在前面的操作先行發(fā)生于書寫在后面的操作。準(zhǔn)確地說應(yīng)該是控制流順序而不是程序代碼順序，因?yàn)橐紤]分支、循環(huán)結(jié)構(gòu)。

b.管程鎖定規(guī)則(Monitor Lock Rule)：一個unlock操作先行發(fā)生于后面對同一個鎖的lock操作。這里必須強(qiáng)調(diào)的是同一個鎖，而”后面“是指時間上的先后順序。

c.volatile變量規(guī)則(Volatile Variable Rule)：對一個volatile變量的寫操作先行發(fā)生于后面對這個變量的讀取操作，這里的”后面“同樣指時間上的先后順序。

d.線程啟動規(guī)則(Thread Start Rule)：Thread對象的start()方法先行發(fā)生于此線程的每一個動作。

e.線程終于規(guī)則(Thread Termination Rule)：線程中的所有操作都先行發(fā)生于對此線程的終止檢測，我們可以通過Thread.join()方法結(jié)束，Thread.isAlive()的返回值等作段檢測到線程已經(jīng)終止執(zhí)行。

f.線程中斷規(guī)則(Thread Interruption Rule)：對線程interrupt()方法的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發(fā)生，可以通過Thread.interrupted()方法檢測是否有中斷發(fā)生。

g.對象終結(jié)規(guī)則(Finalizer Rule)：一個對象初始化完成(構(gòu)造方法執(zhí)行完成)先行發(fā)生于它的finalize()方法的開始。

g.傳遞性(Transitivity)：如果操作A先行發(fā)生于操作B，操作B先行發(fā)生于操作C，那就可以得出操作A先行發(fā)生于操作C的結(jié)論。

一個操作”時間上的先發(fā)生“不代表這個操作會是”先行發(fā)生“，那如果一個操作”先行發(fā)生“是否就能推導(dǎo)出這個操作必定是”時間上的先發(fā)生“呢？也是不成立的，一個典型的例子就是指令重排序。所以時間上的先后順序與先生發(fā)生原則之間基本沒有什么關(guān)系，所以衡量并發(fā)安全問題一切必須以先行發(fā)生原則為準(zhǔn)。

轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/jobbible/p/10374390.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的多线程面试题之原子性、可见性、有序性的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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