Java并发编程实战 02Java如何解决可见性和有序性问题

摘要 在上一篇文章当中，讲到了CPU缓存导致可见性、线程切换导致了原子性、编译优化导致了有序性问题。那么这篇文章就先解决其中的可见性和有序性问题，引出了今天的主角：Java内存模型（面试并发的时候会经常考核到） 什么是Java内存模型？ 现在知道了CPU缓存导致可见性、编译优化导致了有序性问题，那么最简单的方式就是直接禁用CPU缓存和编译优化。但是这样做我们的性能可就要爆炸了~。我们应该按需禁用。 Java内存模型是有一个很复杂的规范，但是站在程序员的角度上可以理解为：Java内存模型规范了JVM如何提供按需禁用缓存和编译优化的方法。 具体包括 volatile、synchronized、fi Java并发编程中的可见性和有序性问题是多线程环境下常见的挑战，这两个问题直接影响程序的正确性和性能。Java内存模型（Java Memory Model，JMM）就是为了应对这些问题而设计的规范，它规定了Java虚拟机（JVM）如何处理内存访问，以确保在并发环境下的正确性。 **Java内存模型** JMM是一个复杂的规范，它主要是为了处理CPU缓存带来的可见性问题和编译优化导致的有序性问题。在多核处理器系统中，每个核心都有自己的高速缓存，不同线程可能在不同的缓存中读写共享变量，导致其他线程无法感知到这些变化。同时，编译器为了提高性能，可能会重新排序指令，这可能导致原本在代码中顺序执行的指令在实际执行时出现乱序，影响程序的有序性。 JMM通过提供特定的机制，如volatile、synchronized和final关键字，以及Happens-Before规则，来限制缓存和编译优化的行为，确保数据的一致性和可见性。 **volatile关键字** volatile关键字用于声明共享变量，它具有以下两个主要特性： 1. **可见性**：当一个线程修改了volatile变量，这个修改对其他所有线程都是立即可见的。这是因为volatile变量的写操作会强制将值刷新回主内存，而读操作则会从主内存中获取最新值，从而避免了缓存不一致的问题。 2. **有序性**：volatile变量的写操作与随后的读操作之间，以及不同线程对同一volatile变量的读操作与后续写操作之间具有有序性保证。这意味着，对于volatile变量，编译器和处理器不会进行指令重排序。 **Happens-Before规则** Happens-Before规则是JMM的核心概念，它定义了一种内存操作之间的偏序关系，确保了在并发环境中数据的正确性。以下是几个重要的Happens-Before规则： 1. **程序顺序规则**：在一个线程内部，按照程序的顺序，前面的操作Happens-Before于后续的任意操作。 2. **volatile变量规则**：对一个volatile变量的写操作Happens-Before于后续的读操作。 3. **线程启动规则**：线程的启动操作Happens-Before于该线程中的任何操作。 4. **线程中断规则**：对线程interrupt()操作Happens-Before于被中断线程的检查并响应中断。 5. **线程结束规则**：线程的所有操作Happens-Before于其他线程检测到该线程已经结束。 6. **监视器锁规则**：释放锁Happens-Before于后续对同一个锁的获取。 **volatile的增强** 在Java 1.5及以后的版本中，volatile关键字的语义得到了增强，以确保在多线程环境中的正确行为。例如，在`VolatileExample`类中，`this.x = 666` Happens-Before `this.v = true`，而`this.v = true` Happens-Before 读取变量`x`。根据传递性规则，`this.x = 666` Happens-Before 读取变量`x`，所以当线程B读取到`this.v`为`true`时，它将看到`x`的值为666，这确保了可见性。 总结来说，Java并发编程中，通过Java内存模型和相应的关键字，如volatile，开发者可以有效地解决可见性和有序性问题，保证多线程环境下的正确同步。理解JMM和Happens-Before规则对于编写高性能、线程安全的Java代码至关重要。