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JUC并发编程（五）volatile/可见性/原子性/有序性-＞JMM

news 2025/6/8 7:42:12

一可见性

二原子性

三有序性

四 volatile原理

1 如何保证可见性

2 如何保证有序性

3 无法解决指令交错（无法保证原子性）

4 双重检查锁（double-checked locking）

5 happens-before

总体概括

特性	含义	如何保障
原子性	一个或多个操作要么全部执行成功，要么全部失败	`synchronized`、`AtomicInteger` 等
可见性	一个线程对共享变量的修改，其他线程能看到	`volatile`、`synchronized`、`final`
有序性	程序执行顺序与代码顺序一致	`volatile`、`synchronized`、`Lock`

一可见性

1 问题

代码展示：

package day01.neicun;public class example1 {static boolean flag = true;public static void main(String[] args) {Thread t1 = new Thread(() -> {while (flag) {}});t1.start();// 这里释放休眠，防止t1线程还未执行就被主线程给修改变量try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}flag = false;}
}

2 解决

1 volatile易变关键字

它可以用来修饰成员变量和静态成员变量，可以避免线程从自己的工作缓存当中查找变量的值，必须到主存当中获取他的值，线程操作volatile变量都是直接操作主存。

线程不会再从缓存当中获取volatile的值，而是从主存当中获取，效率会有所下降，但是保证了共享变量在多个线程之间的可见性。

public class example1 {volatile static boolean flag = true;public static void main(String[] args) {Thread t1 = new Thread(() -> {while (flag) {}});t1.start();// 这里释放休眠，防止t1线程还未执行就被主线程给修改变量try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}flag = false;}
}

2 使用synchroized

加锁（如 synchronized 或 ReentrantLock）会强制线程从主内存中读取变量的最新值，而不是从本地缓存（工作内存）中读取。这是 Java 内存模型（JMM）保证可见性的核心机制之一。

package day01.neicun;public class example1 {static boolean flag = true;// 锁对象final static Object obj = new Object();public static void main(String[] args) {Thread t1 = new Thread(() -> {//这里会在执行完判断后将锁释放，那修改变量的同步代码块就可以运行了while (true) {synchronized (obj) {if (flag) {break;}}}});t1.start();// 这里释放休眠，防止t1线程还未执行就被主线程给修改变量try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}synchronized (obj){flag = false;}}
}

二原子性

机制	原理	适用场景	特点
`synchronized`	互斥锁	需要保护临界区代码块或方法	JVM内置，简单易用，可能阻塞
显式锁 (`Lock`)	更灵活的互斥锁	需要高级锁特性（可中断、公平等）	更灵活，需手动释放锁
原子类	CAS + `volatile`	对单个变量进行原子操作	无锁，高性能
不可变对象	状态不可修改	共享只读数据	无同步开销，最安全

三有序性

有序性是指：程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

1 指令重排

指令重排（Instruction Reordering）是现代CPU和编译器为了提高程序执行效率而采用的关键优化技术。它通过重新排列指令的执行顺序来最大化利用CPU资源，但可能引发多线程环境下的可见性问题。

现代处理器会设计为一个时钟周期完成一条执行时间最长的CPU指令。

1 使用volatile的情况

public class ConcurrencyTest {int num = 0;volatile boolean ready = false;public void actor1(I_Result r) {if (ready) { // 读取 volatile 变量，确保看到最新的值r.r1 = num + num;} else {r.r1 = 1;}}public void actor2(I_Result r) {num = 2; // 写操作ready = true; // 写 volatile 变量，确保前面的操作已完成}
}

四 volatile原理

volatile 关键字的底层原理是 内存屏障（Memory Barriers） 机制。

volatile 解决的是 "一个线程写，其他线程读" 时的有序性和可见性问题，而解决 "多个线程同时写" 需要更强的同步机制。

对volatile变量的写指令后会加入写屏障
对volatile变量的读指令前会加入读屏障

总的来说写屏障保障之前的写and重排，读屏障保障之后的读and重排

1 如何保证可见性

写屏障保证在该屏障之前的，对变量的改动都同步到主存当中。

读屏障保证在该屏障之后对变量的读取，加载的是主存中的最新数据。

2 如何保证有序性

写屏障会确保指令重排序时，不会将屏障之前的代码排在写屏障之后。

读屏障会确保指令重排序时，不会将屏障之后的代码排在读屏障之前。

3 无法解决指令交错（无法保证原子性）

volatile 解决的是 "一个线程写，其他线程读" 时的有序性和可见性问题，而解决 "多个线程同时写" 需要更强的同步机制（结合锁机制确保）。

写屏障仅仅是保证之后的读取能读取到最新的结果，但是不能保证读跑到他前面去。
而有序性的保证也只是保证了本线程内相关代码不被重排序。

4 双重检查锁

双重检查锁（double-checked locking）的核心目的---以单例为例

1. 双重检查的作用

双重检查锁（Double-Checked Locking）的核心目的是：

性能优化：第一次检查避免不必要的同步开销。
线程安全：第二次检查确保在同步块内只有一个线程能创建实例。

代码示例：

public final class Singleton {// 1. volatile 修饰的静态实例private static volatile Singleton instance;// 2. 私有构造函数private Singleton() {}// 3. 双重检查的获取实例方法public static Singleton getInstance() {if (instance == null) {                  // 第一次检查（无锁）synchronized (Singleton.class) {     // 同步块if (instance == null) {          // 第二次检查（有锁）instance = new Singleton();  // 创建实例}}}return instance;}
}

一些知识点

final 修饰类的原因
防止子类化破坏单例性，确保全局唯一性。
实例变量 private 的原因
强制通过工厂方法访问，防止外部直接修改实例状态。（private为类内部）
实例变量 volatile 的原因
禁止指令重排序（解决部分构造问题），保证跨线程可见性。
构造函数 private 的原因
禁止外部实例化，确保单例控制权唯一。
两次 null 判断的原因
首次检查（无锁）避免性能开销；二次检查（同步块内）防止重复创建。
类对象加锁的原因
类锁保证全局唯一性，且独立于实例生命周期，避免死锁风险。
类的实现目的
实现高性能线程安全单例：延迟加载、双重检查锁定、全局唯一实例访问。

破坏单例模式

1 反射方式

通过反射强行调用私有构造函数（setAccessible(true)），绕过单例的静态实例控制逻辑，直接创建新对象。

2 反序列化

反序列化时，ObjectInputStream 默认通过反射调用无参构造器新建对象，而非返回单例的静态实例。

普通方式解决

package day01.vola;import java.io.Serial;
import java.io.Serializable;public final class Singleton implements Serializable {// 1. volatile 修饰的静态实例private static volatile Singleton instance;// 2. 私有构造函数private Singleton() {// 防止反射破坏单例if (instance != null) {throw new RuntimeException("单例类禁止通过反射创建实例！");}}// 3. 双重检查的获取实例方法public static Singleton getInstance() {if (instance == null) {synchronized (Singleton.class) {if (instance == null) {instance = new Singleton();}}}return instance;}// 4. 防止反序列化破坏单例@Serialprivate Object readResolve(){return instance;}
}

枚举方式解决

为何可以实现单例并解决反序列化和反射而导致的问题

实例数量固定：枚举在编译期确定所有实例，运行时无法创建新实例
类加载机制：枚举实例在首次访问时由 JVM 静态初始化（线程安全）
JVM 底层保障：
- 禁止反射创建枚举实例（Constructor.newInstance() 直接抛出异常）
- 特殊序列化机制（仅存储枚举名，反序列化通过 Enum.valueOf() 还原）
语法限制：
- 枚举构造器强制私有化
- 不能显式实例化（编译器阻止 new 操作）

代码实现：

package day01.vola;public enum Single {// 唯一单例实例（名称可自定义）INSTANCE;// 单例状态字段（自动线程安全）private int requestCount = 0;// 单例业务方法public void handleRequest() {requestCount++;System.out.println("Handled request #" + requestCount);}// 可添加静态业务方法public static void warmUp() {System.out.println("Singleton initialized");}
}

静态内部类实现单例

5 happens-before

happens-before规定了对共享变量的写操作对其他线程的读操作可见，他是可见性与有序性的一套规则总结。

八大规则

规则	示例	作用
程序顺序规则	`x=1; y=2;` → `x` 先于 `y`	单线程操作顺序保留
监视器锁规则	解锁 → 后续加锁	`synchronized` 可见性保证
volatile规则	写 volatile → 后续读	禁止重排序 + 跨线程可见
线程启动规则	`thread.start()` → 线程内操作	父线程配置对子线程可见
线程终止规则	线程结束 → `thread.join()`	子线程操作对父线程可见
传递性规则	A→B 且 B→C ⇒ A→C	跨操作链式可见
中断规则	`interrupt()` → 检测到中断	中断信号可靠传递
finalize规则	构造结束 → `finalize()`	对象完整构造后才回收