并發(fā)編程是Java程序員最重要的技能之一页衙，也是最難掌握的一種技能蓄氧。它要求編程者對(duì)計(jì)算機(jī)最底層的運(yùn)作原理有深刻的理解函似，同時(shí)要求編程者邏輯清晰、思維縝密喉童，這樣才能寫出高效撇寞、安全、可靠的多線程并發(fā)程序堂氯。
本系列會(huì)從線程間協(xié)調(diào)的方式（wait蔑担、notify、notifyAll）咽白、Synchronized及Volatile的本質(zhì)入手啤握，詳細(xì)解釋JDK為我們提供的每種并發(fā)工具和底層實(shí)現(xiàn)機(jī)制。
在此基礎(chǔ)上晶框，我們會(huì)進(jìn)一步分析java.util.concurrent包的工具類排抬，包括其使用方式、實(shí)現(xiàn)源碼及其背后的原理授段。本文是該系列的第一篇文章蹲蒲，是這系列中最核心的理論部分，之后的文章都會(huì)以此為基礎(chǔ)來分析和解釋侵贵。
共享性
數(shù)據(jù)共享性是線程安全的主要原因之一届搁。如果所有的數(shù)據(jù)只是在線程內(nèi)有效，那就不存在線程安全性問題窍育，這也是我們?cè)诰幊痰臅r(shí)候經(jīng)常不需要考慮線程安全的主要原因之一咖祭。
但是，在多線程編程中蔫骂，數(shù)據(jù)共享是不可避免的。最典型的場(chǎng)景是數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)牺汤，為了保證數(shù)據(jù)的一致性辽旋，我們通常需要共享同一個(gè)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)，即使是在主從的情況下檐迟，訪問的也同一份數(shù)據(jù)补胚，主從只是為了訪問的效率和數(shù)據(jù)安全，而對(duì)同一份數(shù)據(jù)做的副本追迟。我們現(xiàn)在溶其，通過一個(gè)簡單的示例來演示多線程下共享數(shù)據(jù)導(dǎo)致的問題：
代碼段一：
上述代碼的目的是對(duì)count進(jìn)行加一操作，執(zhí)行1000次敦间，不過這里是通過10個(gè)線程來實(shí)現(xiàn)的瓶逃，每個(gè)線程執(zhí)行100次束铭，正常情況下，應(yīng)該輸出1000厢绝。不過契沫，如果你運(yùn)行上面的程序，你會(huì)發(fā)現(xiàn)結(jié)果卻不是這樣昔汉。下面是某次的執(zhí)行結(jié)果（每次運(yùn)行的結(jié)果不一定相同懈万，有時(shí)候也可能獲取到正確的結(jié)果）：
小編是一個(gè)有著5年工作經(jīng)驗(yàn)的java程序員，對(duì)于java靶病，自己有做資料的整合会通，一個(gè)完整學(xué)習(xí)java的路線，學(xué)習(xí)資料和工具娄周，相信這里有很多學(xué)習(xí)java的小伙伴涕侈，我創(chuàng)立了一個(gè)2000人學(xué)習(xí)扣群，479121291昆咽。每晚都有java的直播課程驾凶。無論是初級(jí)還是進(jìn)階的小伙伴小編我都?xì)g迎！
可以看出掷酗，對(duì)共享變量操作调违，在多線程環(huán)境下很容易出現(xiàn)各種意想不到的的結(jié)果。
互斥性
資源互斥是指同時(shí)只允許一個(gè)訪問者對(duì)其進(jìn)行訪問泻轰，具有唯一性和排它性技肩。我們通常允許多個(gè)線程同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀操作，但同一時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)線程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行寫操作浮声。所以我們通常將鎖分為共享鎖和排它鎖虚婿，也叫做讀鎖和寫鎖。
如果資源不具有互斥性泳挥，即使是共享資源然痊，我們也不需要擔(dān)心線程安全。例如屉符，對(duì)于不可變的數(shù)據(jù)共享剧浸，所有線程都只能對(duì)其進(jìn)行讀操作，所以不用考慮線程安全問題矗钟。但是對(duì)共享數(shù)據(jù)的寫操作唆香，一般就需要保證互斥性，上述例子中就是因?yàn)闆]有保證互斥性才導(dǎo)致數(shù)據(jù)的修改產(chǎn)生問題吨艇。
Java?中提供多種機(jī)制來保證互斥性躬它，最簡單的方式是使用Synchronized。現(xiàn)在我們?cè)谏厦娉绦蛑屑由蟂ynchronized再執(zhí)行：
代碼段二：
現(xiàn)在再執(zhí)行上述代碼东涡，會(huì)發(fā)現(xiàn)無論執(zhí)行多少次冯吓，返回的最終結(jié)果都是1000倘待。
原子性
原子性就是指對(duì)數(shù)據(jù)的操作是一個(gè)獨(dú)立的、不可分割的整體桑谍。換句話說延柠，就是一次操作，是一個(gè)連續(xù)不可中斷的過程锣披，數(shù)據(jù)不會(huì)執(zhí)行到一半的時(shí)候被其他線程所修改贞间。
保證原子性的最簡單方式是操作系統(tǒng)指令，就是說如果一次操作對(duì)應(yīng)一條操作系統(tǒng)指令雹仿，這樣肯定可以保證原子性增热。但是很多操作不能通過一條指令就完成。例如胧辽，對(duì)long類型的運(yùn)算峻仇，很多系統(tǒng)就需要分成多條指令分別對(duì)高位和低位進(jìn)行操作才能完成。還比如邑商，我們經(jīng)常使用的整數(shù)?i++的操作摄咆，其實(shí)需要分成三個(gè)步驟：（1）讀取整數(shù)?i?的值；（2）對(duì)?i?進(jìn)行加一操作人断；（3）將結(jié)果寫回內(nèi)存吭从。這個(gè)過程在多線程下就可能出現(xiàn)如下現(xiàn)象：
這也是代碼段一執(zhí)行的結(jié)果為什么不正確的原因。對(duì)于這種組合操作恶迈，要保證原子性涩金，最常見的方式是加鎖，如Java中的Synchronized或Lock都可以實(shí)現(xiàn)暇仲，代碼段二就是通過Synchronized實(shí)現(xiàn)的调榄。
除了鎖以外柄错，還有一種方式就是CAS（Compare And Swap），即修改數(shù)據(jù)之前先比較與之前讀取到的值是否一致嘹屯，如果一致帖鸦，則進(jìn)行修改抑诸，如果不一致則重新執(zhí)行谍椅，這也是樂觀鎖的實(shí)現(xiàn)原理趴荸。不過CAS在某些場(chǎng)景下不一定有效，比如另一線程先修改了某個(gè)值中跌，然后再改回原來值，這種情況下菇篡，CAS是無法判斷的漩符。
可見性
要理解可見性，需要先對(duì)JVM的內(nèi)存模型有一定的了解驱还，JVM的內(nèi)存模型與操作系統(tǒng)類似嗜暴，如圖所示：
從這個(gè)圖中我們可以看出凸克，每個(gè)線程都有一個(gè)自己的工作內(nèi)存（相當(dāng)于CPU高級(jí)緩沖區(qū)，這么做的目的還是在于進(jìn)一步縮小存儲(chǔ)系統(tǒng)與CPU之間速度的差異闷沥，提高性能）萎战，對(duì)于共享變量，線程每次讀取的是工作內(nèi)存中共享變量的副本舆逃，寫入的時(shí)候也直接修改工作內(nèi)存中副本的值蚂维，然后在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上再將工作內(nèi)存與主內(nèi)存中的值進(jìn)行同步。
這樣導(dǎo)致的問題是路狮，如果線程1對(duì)某個(gè)變量進(jìn)行了修改虫啥，線程2卻有可能看不到線程1對(duì)共享變量所做的修改。通過下面這段程序我們可以演示一下不可見的問題：
從直觀上理解奄妨，這段程序應(yīng)該只會(huì)輸出100涂籽，ready的值是不會(huì)打印出來的。實(shí)際上砸抛，如果多次執(zhí)行上面代碼的話评雌，可能會(huì)出現(xiàn)多種不同的結(jié)果，下面是我運(yùn)行出來的某兩次的結(jié)果：
當(dāng)然直焙，這個(gè)結(jié)果也只能說是有可能是可見性造成的景东，當(dāng)寫線程（WriterThread）設(shè)置ready=true后，讀線程（ReaderThread）看不到修改后的結(jié)果箕般，所以會(huì)打印false耐薯，對(duì)于第二個(gè)結(jié)果，也就是執(zhí)行if (!ready)時(shí)還沒有讀取到寫線程的結(jié)果丝里，但執(zhí)行System.out.println(ready)時(shí)讀取到了寫線程執(zhí)行的結(jié)果曲初。
不過，這個(gè)結(jié)果也有可能是線程的交替執(zhí)行所造成的杯聚。Java 中可通過Synchronized或Volatile來保證可見性臼婆，具體細(xì)節(jié)會(huì)在后續(xù)的文章中分析。
有序性
為了提高性能幌绍，編譯器和處理器可能會(huì)對(duì)指令做重排序颁褂。重排序可以分為三種：
（1）編譯器優(yōu)化的重排序。編譯器在不改變單線程程序語義的前提下傀广，可以重新安排語句的執(zhí)行順序颁独。
（2）指令級(jí)并行的重排序。現(xiàn)代處理器采用了指令級(jí)并行技術(shù)（Instruction-Level Parallelism伪冰， ILP）來將多條指令重疊執(zhí)行誓酒。如果不存在數(shù)據(jù)依賴性，處理器可以改變語句對(duì)應(yīng)機(jī)器指令的執(zhí)行順序。
（3）內(nèi)存系統(tǒng)的重排序靠柑。由于處理器使用緩存和讀/寫緩沖區(qū)寨辩，這使得加載和存儲(chǔ)操作看上去可能是在亂序執(zhí)行。
我們可以直接參考一下JSR 133 中對(duì)重排序問題的描述：
先看上圖中的（1）源碼部分歼冰，從源碼來看靡狞，要么指令 1 先執(zhí)行要么指令 3先執(zhí)行。如果指令 1 先執(zhí)行隔嫡，r2不應(yīng)該能看到指令 4 中寫入的值甸怕。如果指令 3 先執(zhí)行，r1不應(yīng)該能看到指令 2 寫的值畔勤。但是運(yùn)行結(jié)果卻可能出現(xiàn)r2==2蕾各，r1==1的情況，這就是“重排序”導(dǎo)致的結(jié)果庆揪。
上圖（2）即是一種可能出現(xiàn)的合法的編譯結(jié)果式曲，編譯后，指令1和指令2的順序可能就互換了缸榛。因此吝羞，才會(huì)出現(xiàn)r2==2，r1==1的結(jié)果内颗。Java 中也可通過Synchronized或Volatile來保證順序性钧排。
總結(jié)
本文對(duì)Java 并發(fā)編程中的理論基礎(chǔ)進(jìn)行了講解，有些東西在后續(xù)的分析中還會(huì)做更詳細(xì)的討論均澳，如可見性恨溜、順序性等。后續(xù)的文章都會(huì)以本章內(nèi)容作為理論基礎(chǔ)來討論找前。
