Java并发——核心理论

并发编程是Java程序员最核心的技能之一，同时也是掌握难度最大的一部分。我们都知道Java中提供了各种异步机制，但无论是notify wait、synchronized、volatile亦或是java.util.conccurrent包下的ReentrantLock、ThreadPoolExecutor都遵循着相同的异步理论，要理解上述并发机制就必须首先了解Java异步的核心原理。

1 共享性

数据共享性是线程安全的主要原因之一。如果数据只在某一个线程中被访问则不存在共享性问题。然而在多线程环境下常常是多个线程共享一部分数据，为保证在多线程环境下共享数据的一致性，必须引入进程间的同步机制。

2 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。Java 中提供多种机制来保证互斥性，最简单的方式是使用Synchronized。

3 原子性

所谓原子性指的是一系列不可分割的，独立的操作，换句话说就是如果执行一个原子性操作，要么不执行，要么执行完该原子性操作，不会出现只做一半的情况。最底层的原子性操作是操作系统的指令。但Java层面的操作往往是由多个原子性操作构成的，要保证Java操作的原子性最常见的方式就是加锁，如Java中的Synchronized或Lock都可以实现，代码段二就是通过Synchronized实现的。除此之外还有一种方式是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。

4 可见性

在多线程环境下，每一个线程都维护一个本地的工作内存，线程操作一个共享变量时并不是直接操作在主内存中的变量，而是将其先拷贝到自己工作内存后再就行修改，同时在修改完成后再同步到主内存。而所谓可见性就是当某一个线程改变某一共享变量后，另一线程可以感知到这一变化。Java中通过Synchronized和volatile来保证可见性。

5 有序性

学过体系结构的朋友都知道，为了提高程序运行的效率，CPU会对指令进行重排序，以实现指令级并行。其实在现代操作系统中，除了指令级重排序外，编译器和内存系统也会进行相应的重排序以提升效率。

在单线程环境下，以上的重排序是不会改变程序的运行逻辑的。但是到了多线程环境，这样的重排序则可能导致逻辑错乱。Java中通过Synchronized和volatile来保证顺序性。