Java 并发编程：核心理论

　　并发编程是Java程序员最重要的技能之一，也是最难掌握的一种技能。它要求编程者对计算机最底层的运作原理有深刻的理解，同时要求编程者逻辑清晰、思维缜密，这样才能写出高效、安全、可靠的多线程并发程序。本系列会从线程间协调的方式（wait、notify、notifyAll）、Synchronized及Volatile的本质入手，详细解释JDK为我们提供的每种并发工具和底层实现机制。在此基础上，我们会进一步分析java.util.concurrent包的工具类，包括其使用方式、实现源码及其背后的原理。本文是该系列的第一篇文章，是这系列中最核心的理论部分，之后的文章都会以此为基础来分析和解释。

一、共享性

　　数据共享性是线程安全的主要原因之一。如果所有的数据只是在线程内有效，那就不存在线程安全性问题，这也是我们在编程的时候经常不需要考虑线程安全的主要原因之一。但是，在多线程编程中，数据共享是不可避免的。最典型的场景是数据库中的数据，为了保证数据的一致性，我们通常需要共享同一个数据库中数据，即使是在主从的情况下，访问的也同一份数据，主从只是为了访问的效率和数据安全，而对同一份数据做的副本。我们现在，通过一个简单的示例来演示多线程下共享数据导致的问题：

代码段一：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38

package com.paddx.test.concurrent;   public class ShareData {     public static int count = 0;       public static void main(String[] args) {         final ShareData data = new ShareData();         for (int i = 0; i < 10; i++) {             new Thread(new Runnable() {                 @Override                 public void run() {                     try {                         //进入的时候暂停1毫秒，增加并发问题出现的几率                         Thread.sleep(1);                     } catch (InterruptedException e) {                         e.printStackTrace();                     }                     for (int j = 0; j < 100; j++) {                         data.addCount();                     }                     System.out.print(count + " ");                 }             }).start();           }         try {             //主程序暂停3秒，以保证上面的程序执行完成             Thread.sleep(3000);         } catch (InterruptedException e) {             e.printStackTrace();         }         System.out.println("count=" + count);     }       public void addCount() {         count++;     } }

　　上述代码的目的是对count进行加一操作，执行1000次，不过这里是通过10个线程来实现的，每个线程执行100次，正常情况下，应该输出1000。不过，如果你运行上面的程序，你会发现结果却不是这样。下面是某次的执行结果（每次运行的结果不一定相同，有时候也可能获取到正确的结果）：

可以看出，对共享变量操作，在多线程环境下很容易出现各种意想不到的的结果。

二、互斥性

　　资源互斥是指同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它性。我们通常允许多个线程同时对数据进行读操作，但同一时间内只允许一个线程对数据进行写操作。所以我们通常将锁分为共享锁和排它锁，也叫做读锁和写锁。如果资源不具有互斥性，即使是共享资源，我们也不需要担心线程安全。例如，对于不可变的数据共享，所有线程都只能对其进行读操作，所以不用考虑线程安全问题。但是对共享数据的写操作，一般就需要保证互斥性，上述例子中就是因为没有保证互斥性才导致数据的修改产生问题。Java 中提供多种机制来保证互斥性，最简单的方式是使用Synchronized。现在我们在上面程序中加上Synchronized再执行：

代码段二：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41

package com.paddx.test.concurrent;   public class ShareData {     public static int count = 0;       public static void main(String[] args) {         final ShareData data = new ShareData();         for (int i = 0; i < 10; i++) {             new Thread(new Runnable() {                 @Override                 public void run() {                     try {                         //进入的时候暂停1毫秒，增加并发问题出现的几率                         Thread.sleep(1);                     } catch (InterruptedException e) {                         e.printStackTrace();                     }                     for (int j = 0; j < 100; j++) {                         data.addCount();                     }                     System.out.print(count + " ");                 }             }).start();           }         try {             //主程序暂停3秒，以保证上面的程序执行完成             Thread.sleep(3000);         } catch (InterruptedException e) {             e.printStackTrace();         }         System.out.println("count=" + count);     }       /**      * 增加 synchronized 关键字      */     public synchronized void addCount() {         count++;     } }

　　现在再执行上述代码，会发现无论执行多少次，返回的最终结果都是1000。

三、原子性

　　原子性就是指对数据的操作是一个独立的、不可分割的整体。换句话说，就是一次操作，是一个连续不可中断的过程，数据不会执行的一半的时候被其他线程所修改。保证原子性的最简单方式是操作系统指令，就是说如果一次操作对应一条操作系统指令，这样肯定可以能保证原子性。但是很多操作不能通过一条指令就完成。例如，对long类型的运算，很多系统就需要分成多条指令分别对高位和低位进行操作才能完成。还比如，我们经常使用的整数 i++ 的操作，其实需要分成三个步骤：（1）读取整数 i 的值；（2）对 i 进行加一操作；（3）将结果写回内存。这个过程在多线程下就可能出现如下现象：

这也是代码段一执行的结果为什么不正确的原因。对于这种组合操作，要保证原子性，最常见的方式是加锁，如Java中的Synchronized或Lock都可以实现，代码段二就是通过Synchronized实现的。除了锁以外，还有一种方式就是CAS（Compare And Swap），即修改数据之前先比较与之前读取到的值是否一致，如果一致，则进行修改，如果不一致则重新执行，这也是乐观锁的实现原理。不过CAS在某些场景下不一定有效，比如另一线程先修改了某个值，然后再改回原来值，这种情况下，CAS是无法判断的。

四、可见性

　　要理解可见性，需要先对JVM的内存模型有一定的了解，JVM的内存模型与操作系统类似，如图所示：

　　

从这个图中我们可以看出，每个线程都有一个自己的工作内存（相当于CPU高级缓冲区，这么做的目的还是在于进一步缩小存储系统与CPU之间速度的差异，提高性能），对于共享变量，线程每次读取的是工作内存中共享变量的副本，写入的时候也直接修改工作内存中副本的值，然后在某个时间点上再将工作内存与主内存中的值进行同步。这样导致的问题是，如果线程1对某个变量进行了修改，线程2却有可能看不到线程1对共享变量所做的修改。通过下面这段程序我们可以演示一下不可见的问题：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37

package com.paddx.test.concurrent;   public class VisibilityTest {     private static boolean ready;     private static int number;       private static class ReaderThread extends Thread {         public void run() {             try {                 Thread.sleep(10);             } catch (InterruptedException e) {                 e.printStackTrace();             }             if (!ready) {                 System.out.println(ready);             }             System.out.println(number);         }     }       private static class WriterThread extends Thread {         public void run() {             try {                 Thread.sleep(10);             } catch (InterruptedException e) {                 e.printStackTrace();             }             number = 100;             ready = true;         }     }       public static void main(String[] args) {         new WriterThread().start();         new ReaderThread().start();     } }

从直观上理解，这段程序应该只会输出100，ready的值是不会打印出来的。实际上，如果多次执行上面代码的话，可能会出现多种不同的结果，下面是我运行出来的某两次的结果：

当然，这个结果也只能说是有可能是可见性造成的，当写线程（WriterThread）设置ready=true后，读线程（ReaderThread）看不到修改后的结果，所以会打印false，对于第二个结果，也就是执行if (!ready)时还没有读取到写线程的结果，但执行System.out.println(ready)时读取到了写线程执行的结果。不过，这个结果也有可能是线程的交替执行所造成的。Java 中可通过Synchronized或Volatile来保证可见性，具体细节会在后续的文章中分析。

五、有序性

　　为了提高性能，编译器和处理器可能会对指令做重排序。重排序可以分为三种：

　　（1）编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。

　　（2）指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术（Instruction-Level Parallelism， ILP）来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
　　（3）内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

　　我们可以直接参考一下JSR 133 中对重排序问题的描述：

　　

　　　　　　　　（1）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（2）

先看上图中的（1）源码部分，从源码来看，要么指令 1 先执行要么指令 3先执行。如果指令 1 先执行，r2不应该能看到指令 4
中写入的值。如果指令 3 先执行，r1不应该能看到指令 2
写的值。但是运行结果却可能出现r2==2，r1==1的情况，这就是“重排序”导致的结果。上图（2）即是一种可能出现的合法的编译结果，编译后，指令1和指令2的顺序可能就互换了。因此，才会出现r2==2，r1==1的结果。Java
中也可通过Synchronized或Volatile来保证顺序性。