java并发编程

Java中实现多线程有两种方法：继承Thread类、实现Runnable接口，多线程开发中基本以实现Runnable接口为主。在并发编程中，要想并发程序正确地执行，必须要保证操作的原子性、可见性以及有序性。

1. 原子性：即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。
2. 可见性：当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的3. 值，其他线程能够立即看得到修改的值。
3. 指令重排序：一般来说，处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。
处理器在进行重排序时是会考虑指令之间的数据依赖性，如果一个指令Instruction 2必须用到Instruction 1的结果，那么处理器会保证Instruction 1会在Instruction 2之前执行。
　　指令重排序不会影响单个线程的执行，但是会影响到线程并发执行的正确性。
　　
下面看一下Java内存模型为我们提供了哪些保证以及在java中提供了哪些方法和机制来让我们在进行多线程编程时能够保证程序执行的正确性？
1.原子性
看下面一个例子：

    x = 10;         //语句1      y = x;         //语句2      x++;           //语句3      x = x + 1;     //语句4  

上面的4条语句中只有语句1是原子性操作，其他三个语句都不是原子性操作。
　　语句1是直接将数值10赋值给x，也就是说线程执行这个语句的会直接将数值10写入到工作内存中。
　　语句2实际上包含2个操作，它先要去读取x的值，再将x的值写入工作内存，虽然读取x的值以及 将x的值写入工作内存 这2个操作都是原子性操作，但是合起来就不是原子性操作了。
　　同样的，x++和 x = x+1包括3个操作：读取x的值，进行加1操作，写入新的值。
　　Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作，如果要实现更大范围操作的原子性，可以通过synchronized和Lock来实现。由于synchronized和Lock能够保证任一时刻只有一个线程执行该代码块，那么自然就不存在原子性问题了，从而保证了原子性。
　　
2.可见性
　　对于可见性，Java提供了volatile，synchronized和Lock关键字来保证可见性。
　　当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。

3.有序性
　　在Java里面，可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”（具体原理在后面讲述）。另外可以通过synchronized和Lock来保证有序性，很显然，synchronized和Lock保证每个时刻是有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码，自然就保证了有序性。

为什么说可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”呢？
1.volatile关键字的两层语义
　　一旦一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被volatile修饰之后，那么就具备了两层语义：
　　1）保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。
　　2）禁止进行指令重排序。
2.volatile保证原子性吗？

ublic 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)  //保证前面的线程都执行完              Thread.yield();          System.out.println(test.inc);      }  }  

运行它会发现每次运行结果都不一致，都是一个小于10000的数字。因为volatile关键字能保证可见性没有错，但是上面的程序错在没能保证原子性。可见性只能保证每次读取的是最新的值，但是volatile没办法保证对变量的操作的原子性（自增操作是不具备原子性）。
那么就是说自增操作的三个子操作可能会分割开执行，就有可能导致下面这种情况出现：
假如某个时刻变量inc的值为10，
线程1对变量进行自增操作，线程1先读取了变量inc的原始值，然后线程1被阻塞了；
然后线程2对变量进行自增操作，线程2也去读取变量inc的原始值，由于线程1只是对变量inc进行读取操作，而没有对变量进行修改操作，所以不会导致线程2的工作内存中缓存变量inc的缓存行无效，所以线程2会直接去主存读取inc的值，发现inc的值时10，然后进行加1操作，并把11写入工作内存，最后写入主存。
然后线程1接着进行加1操作，由于已经读取了inc的值，注意此时在线程1的工作内存中inc的值仍然为10，所以线程1对inc进行加1操作后inc的值为11，然后将11写入工作内存，最后写入主存。
那么两个线程分别进行了一次自增操作后，inc只增加了1。
解释到这里，可能会有疑问，前面不是保证一个变量在修改volatile变量时，会让缓存行无效吗？然后其他线程去读就会读到新的值，对，这个没错。这个就是上面的happens-before规则中的volatile变量规则，但是线程1对变量进行读取操作之后，被阻塞了的话，并没有对inc值进行修改。然后虽然volatile能保证线程2对变量inc的值读取是从内存中读取的，但是线程1没有进行修改，所以线程2根本就不会看到修改的值。
　　根源就在这里，自增操作不是原子性操作，而且volatile也无法保证对变量的任何操作都是原子性的
　　把上面的代码改成synchronized或Lock实现 都可以达到效果：

        //采用synchronized         public synchronized void increase() {              inc++;          }         //采用Lock：        Lock lock = new ReentrantLock();          public  void increase() {              lock.lock();              try {                  inc++;              } finally{                  lock.unlock();              }          }          //采用AtomicInteger：        public  void increase() {              inc.getAndIncrement();          }  

 在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作类，即对基本数据类型的 自增（加1操作），自减（减1操作）、以及加法操作（加一个数），减法操作（减一个数）进行了封装，保证这些操作是原子性操作。atomic是利用CAS来实现原子性操作的（Compare And Swap），CAS实际上是利用处理器提供的CMPXCHG指令实现的，而处理器执行CMPXCHG指令是一个原子性操作。

3.volatile能保证有序性吗？
　　在前面提到volatile关键字能禁止指令重排序，所以volatile能在一定程度上保证有序性。
　　volatile关键字禁止指令重排序有两层意思：
　　1）当程序执行到volatile变量的读操作或者写操作时，在其前面的操作的更改肯定全部已经进行，且结果已经对后面的操作可见；在其后面的操作肯定还没有进行；
　　2）在进行指令优化时，不能将在对volatile变量访问的语句放在其后面执行，也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执行。　　

 public class VolatileTest{      public volatile int a;      public void  add(int count){           a=a+count;      }   } 

4.volatile的原理和实现机制
　　“观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令”
　　lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），内存屏障会提供3个功能：
　　1）它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成；
　　2）它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存；
　　3）如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。
　　
五.使用volatile关键字的场景
synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码，那么就会很影响程序执行效率，而volatile关键字在某些情况下性能要优于synchronized，但是volatile关键字是无法替代synchronized关键字的，因为volatile关键字无法保证操作的原子性。通常来说，使用volatile必须具备以下2个条件：
　　1）对变量的写操作不依赖于当前值
　　2）该变量没有包含在具有其他变量的不变式中