3.线程安全之可见性、有序性、原子性是什么？

小陈：上一篇说了JAVA内存模型，但是后面说了在多线程并发操作的时候有可见性问题，我现在迫不及待想知道线程安全的可见性、原子性、有序性是啥了

老王：哈哈，可以。我先说说我自己对可见性、有序性、原子性的理解：

可见性

上一篇讲了，多个线程同时对某一个共享变量进行操作的时候，存在线程A的操作对线程B不可见的问题。简单来说就是线程A执行了某些操作对数据进行了变更；但是线程B并不知道，所以还是使用旧数据干它自己的活。

小陈：这么讲，按照概念来理解我还是很模糊啊，能不能搞个例子来讲解一下？

老王，没问题，我就结合上次你提的那个JAVA内存模型可能导致数据不一致的这个例子给你讲解一下

比如线程A和线程B都执行x 操作（x的初始值是0），线程A执行完了之后将主内存的值更新为1，但是线程B由于已经将 x = 0 读取进入自己的工作内存了，不知道线程A将x更新为1了，所以还是使用x=0去进行操作。

像这种，就是典型的可见性问题，就是线程A操作了数据，但是线程B不可见，感知不到。

小陈：嘿嘿，看来上次我的猜测没错啊，无论是CPU缓存架构下还是JAVA内存模型都是有可见性的问题。

老王：没错，你说的这个问题是存在的，但是还是有些手段可以避免的，后面我们再来讨论。下面我们再来说一下有序性的问题

有序性

有序性是指由于JIT动态编译器、操作系统为了给提高程序的执行效率，可能会对按顺序书写好的指令进行重排，线程或者CPU执行的时候不一定按照程序书写的顺序来执行：

比如程序的书写顺序是 指令1 -> 指令2 -> 指令3；但是由于指令重排序，某个线程执行这几个指令的时候，比如说线程A执行的时候，可能先执行指令3，然后再执行指令2、指令1。导致别的线程，比如说线程B看到线程A的指令执行是乱序的。

我搞个代码给你讲解一下：

线程A在执行数据库、http客户端的初始化工作，初始化完毕之后将initOk初始化表示置为true表示初始化完毕。

代码语言：javascript复制

// 步骤1
dataSource = initDataSource();
// 步骤2
httpClient = initHttpClient();
// 步骤3
initOK = true;

线程B在这里一直监听线程A是否初始化资源完毕，看到initOK标识为true表示初始化结束。开始执行业务操作，获取数据，根据数据发起网络调用。

代码语言：javascript复制

// 步骤4
while(!initOK) {
}
// 步骤5
Object data = dataSource.getData();
// 步骤6
httpClient.request(data);

上面这段代码，正常来说线程A的执行顺序应该是步骤1 -> 步骤2 -> 步骤3。但是由于JIT动态编译器或者操作系统可能对指令进行重排序，所以可能执行顺序是 步骤3 -> 步骤1 -> 步骤2。

这样就会导致线程B先看到了initOk = true，这样就会导致线程B直接跳出while循环，跳出等待，执行dataSource.getData方法，执行httpClient.request()方法；但是线程A的步骤1、步骤2还没执行dataSource、httpClient是null，会抛出空指针异常。

小陈：等等，我来理解一下；线程A先执行了initOK = true；导致线程B跳出了while循环，然后调用dataSource.getData方法，由于线程A还没执行dataSource = initDataSource()方法，所以dataSource对象可能是null值，这样线程B调用的时候可能抛出空指针异常，是这样吧？

老王：没错，理解得非常好，小陈你果然聪明啊；你这个理解力，我对后面讲解的文章越来越有信心了。

小陈：嘿嘿......

老王：上面这种有序性问题，在多线程并发执行的时候，由于指令的重排序存在，很可能是会发生的。

这就是有序性带来的线程安全问题，也就是线程B看到线程A的执行时乱序的，也就是不是按照步骤1、2、3这样顺序的来执行。

简单点来讲就是线程A还没初始化好，就将标识initOk设置为true。导致线程B误以为线程A搞定了，然后去获取数据，发起http请求，然后...，然后线程B就挂了...（线程B：线程A这坑爹的，还没初始化好就告诉我搞定了，这不是坑我嘛...）

老王：说了可见性、有序性的问题，下面我们再来说说原子性问题。

原子性

老王：原子性是说某个操作是不可分割的、不可中断的。

小陈：这个不可分割、不可中断是啥意思？

老王：

比如之前说的JAVA内存模型定义的8中操作；read、load、use、assign、store、write、lock、unlock等八种指令都是原子的。

老王：比如说read指令，不可分割：说的是这条指令是读取数据最小的指令了，不能再拆分成更多的指令

小陈：不可分割是不是说它就是最小的执行单元了，不能被拆分的意思？

老王：没错，就是这个意思.....

小陈：哦哦，这个不可分割我懂了，那不可中断又是啥玩意？

老王：简单来讲就是不能执行到一半就不干了，比如这个read指令，你不能读取一个变量的数据，只读取到一半的时候就撂挑子不干了；要执行就一起全部执行，不能干了一半就不干了，同时也不能被其它外部的因素打断了。

小陈：那意思是说cpu执行read指令，执行到一半的时候，就把这个线程挂起来，这个是不被允许的咯。

老王：哈哈，就是这样的。要干就全部都干了，不能中途搞了一半你跟我说退出了....

小陈：老王你真牛逼，这么晦涩的东西都被你三言两句简单的话就给说清楚了。

老王：那是，毕竟我可是单身十多年...；不，是工作十多年的老兵了，“技巧”早就磨练的杠杠的......

小陈：......

小陈：道理我是听明白了，实际编码里面那些操作是原子的，那些不是原子的呢？

老王：给你讲讲下面的例子就知道了：

比如下面的操作：

（1）y = 1;

（2）x ;

（3）z = y;

（1）其中y = 1操作是原子的，因为只是执行了load操作，将1直接load给y，只有一条指令的执行。

（2） x 操作就不是原子性的，之前画图讲解过，i 操作经过，read、load、use、assign、store、write等六个操作；虽然每个指令都是原子的，但是合并起来并不是原子的。

比如说线程A执行read和load操作将工作内存的变量x的值载入自己工作内存的变量副本中。但是还没来得及执行后续的use、assign、store、write指令，这个时候线程A就被挂起了。

线程A被挂起期间，线程B就也执行了read、load指令将变量x放入线程B的工作内存里了。这就相当于线程A的这6条指令没有连续执行完，被中断了，中途CPU又去执行别的指令了，并不是不可分割、不可中断的。

（3）z = y 也不是原子的，它先要执行read指令读取y的值，然后执行load执行赋值给z。并不是单一的原子指令

小陈：哇塞，老王你太牛逼了，你这么说我全懂了。

小陈：既然多线程并发操作的时候会有这些问题，那操作系统或者说JAVA底层是怎么解决这些问题达到并发安全的效果的呢？

老王：操作系统设计者肯定是会想到这些问题的，这就是我们下面要慢慢讲解的话题了，操作系统或者JAVA底层是怎么解决这些并发安全的问题的。

老王：小陈，给你个任务，你去看看MESI一致性协议的内容，下面我们讲解一下MESI一致性协议，以及MESI一致性协议是如何解决可见性问题的。

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可见性

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