原子性

定义： 指一个操作是不可中断的。即使是在多个线程一起执行的时候，一个操作一旦开始，就不会被其他线程干扰。

通过一个例子回顾一下：有一个初始值为 0 的静态变量，一个线程对其自增，一个线程对其自减，进行 5000 次，最终结果会是 0 吗？

结果不一定是 0。

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static int i = 0;

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int j = 0; j < 5000; j++) {
            i++;
        }
    });

    Thread t2 = new Thread(() -> {
        for (int j = 0; j < 5000; j++) {
            i--;
        }
    });
    
    t1.start();
    t2.start();
    
    t1.join();
    t2.join();
    
    System.out.println(i);

}

分析

对于 i++ 而言（i 是静态变量），实际会产生如下的 JVM 字节码指令：

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getstatic     i // 获取静态变量 i 的值
iconst_1        // 将常量 1 压入操作数栈顶
iadd            // 加法
putstatic     i // 将修改后的值存入静态变量 i

对应 i– 也是类似：

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getstatic     i // 获取静态变量 i 的值
iconst_1        // 准备常量 1
isub            // 减法
putstatic     i // 将修改后的值存入静态变量 i

Java 的内存模型如下，完成静态变量的自增、自减需要在主内存和线程内存（工作内存）中进行数据交换：

image-20260401132149118

在多线程的环境下，这 8 行指令可能会交错执行，导致最终结果错误。

出现负数的情况：

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// 假设 i 的初始值是 0
getstatic     i // 线程 1 - 获取静态变量 i 的值，线程内 i = 0
getstatic     i // 线程 2 - 获取静态变量 i 的值，线程内 i = 0
iconst_1        // 线程 1 - 准备常量 1
iadd            // 线程 1 - 自增，线程内 i = 1
pubstatic     i // 线程 1 - 将修改后的值存入静态变量 i，静态变量 i = 1
iconst_1        // 线程 2 - 准备常量 1
isub            // 线程 2 - 自减，线程内 i = -1
pubstatic     i // 线程 2 - 将修改后的值存入静态变量 i，静态变量 i = -1



解决方案

使用synchronized

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synchronized ( 对象 ) {
    要作为原子操作的代码
}
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static int i = 0;

static final Object obj = new Object();

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int j = 0; j < 5000; j++) {
            // 加锁、减锁操作会执行 5000 次，更建议将其放到 for 循环外
            synchronized (obj) {
                i++;
            }
        }
    });
    
    Thread t2 = new Thread(() -> {
        for (int j = 0; j < 5000; j++) {
            synchronized (obj) {
                i--;
            }
        }
    });
    
    t1.start();
    t2.start();
    
    t1.join();
    t2.join();
    
    System.out.println(i);

}

可见性

在下列代码中，main 线程对 run 变量的修改对于 t 线程不可见，导致 t 线程无法停止：

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static boolean run =  true;

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t = new Thread(() -> {
        while (run) {
            // ...
        }
    });

    t.start();
    
    Thread.sleep(1000);
    
    // 线程 t 并不按预想的那样停下来
    run = false;

}



分析

初始状态下，t 线程刚开始从主内存中读取了 run 的值到工作内存中：

image-20260401133634413

因为 t 线程需要频繁从主内存中读取 run 的值，JIT 编译器会将 run 的值缓存到自己工作内存中的高速缓存中，减少对主内存中 run 的访问，以提高效率：

image-20260401133752214

1 秒后，main 线程修改了 run 的值，并同步至主内存，而 t 线程还是从自己工作内存中的高速缓存中读取这个变量的，结果永远是旧值：

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解决方案

A. volatile 关键字（最轻量级）

它是可见性的代名词。一旦一个变量被声明为 volatile，JMM 会强制执行两件事：

  1. 立刻刷回：一旦线程修改了该变量，必须立即刷回主内存。
  2. 失效通知：其他线程工作内存里的该变量副本强制失效，必须重新去主内存读取。

通过底层的汇编代码加lock前缀实现

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static volatile boolean run =  true;

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t = new Thread(() -> {
        while (run) {
            // ...
        }
    });

    t.start();
    
    Thread.sleep(1000);
    
    
    run = false;

}

B. synchronized 关键字

它的可见性保证更强，规则如下：

  • 加锁前：清空工作内存，从主内存重新读取。
  • 解锁前：必须把工作内存的值刷回主内存。

如果不使用 volatile 关键字，而是在死循环内部加入 System.out.println() 方法，会发现线程 t 也能正常停止，这是因为在 println() 方法内部使用了 synchronized 关键字，保证了主内存和工作内存之间的数据一致。

有序性

线程 A 的代码（生产者）：

Java

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a = 1;          // 步骤 1：准备数据
flag = true;    // 步骤 2：告诉别人数据准备好了

线程 B 的代码（消费者）：

Java

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if (flag) {     // 步骤 3：检查标志位
    System.out.println(a); // 步骤 4：使用数据
}

在正常逻辑下，我们预期输出一定是 1。但如果没有 volatile 保证有序性，发生了重排序：

分析

线程 A 内部发生了重排：

由于 a 和 flag 没有直接的数据依赖（改 a 不影响改 flag），CPU 为了优化，可能会先执行 flag = true。

  1. 时刻 T1：线程 A 执行了 flag = true（步骤 2 提前了）。此时 a 还是 0。
  2. 时刻 T2：线程 B 进来执行，发现 flag 已经是 true 了。
  3. 时刻 T3：线程 B 执行 System.out.println(a)，结果输出了 0！
  4. 时刻 T4：线程 A 这才执行 a = 1（步骤 1 滞后了）。

结论：线程 B 拿到了一个“逻辑上还没准备好”的脏数据。这就是重排序导致的逻辑断层。

解决方案

为了禁止这种“乱排”行为，Java 使用了内存屏障。当你给变量加上 volatile 时，汇编底层会插入特殊的指令

在 volatile 写操作时：

  • 前面插入 StoreStore 屏障： 保证在这次 volatile 写之前，所有的普通写操作都已经真正写到了内存里，绝对不能把前面的普通写排到 volatile 写之后。
  • 后面插入 StoreLoad 屏障： （最重的一个屏障）保证这次 volatile 写完，后续所有的读写操作才能开始。

在 volatile 读操作时：

  • 后面插入 LoadLoad 屏障： 保证 volatile 读完之后，后面的普通读才能进行。
  • 后面插入 LoadStore 屏障： 保证 volatile 读完之后，后面的普通写才能进行。

应用

DCL 单例模式

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public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance; // 必须加 volatile

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { // 第一次检查
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) { // 第二次检查
                    instance = new Singleton(); // 问题的核心点
                }
            }
        }
        return instance;
    }

}

第一次检查 (if 外面)： 如果 instance 已经创建好了，直接返回即可，不需要进入锁环节。这极大提高了高并发下的性能（毕竟 synchronized 是有开销的）。

加锁 (synchronized)： 确保同一时刻只有一个线程能执行创建对象的逻辑。

第二次检查 (if 里面)： 这是为了拦截那些“第一批冲进来的线程”。

场景模拟： 线程 A 和 B 同时发现 instance == null，A 先拿到了锁，B 在锁外面排队。A 创建完对象释放锁后，B 拿到锁进来了。如果没有第二次检查，B 会再 new 一个对象，单例模式就彻底破功了。

如果没有 volatile，instance = new Singleton(); 这一行会被拆成三步：

  1. 分配内存空间（给对象找个地儿）。
  2. 初始化对象（执行构造方法，填入数据）。
  3. 将 instance 指向分配的内存地址（此时 instance 不再是 null）。

由于指令重排序，步骤 2 和 3 可能会反过来：

  1. 分配空间。
  2. 将 instance 指向内存地址（此时对象还没初始化！）。
  3. 执行构造方法。

后果： 线程 A 刚跑完第 2 步，线程 B 刚好执行到第一次检查 if (instance == null)。发现 instance 不为 null，于是高高兴兴地把这个还没初始化完的“半成品”对象拿去用了，直接报空指针异常（NPE）。

两个关键字的对比

特性 volatile synchronized
类型 变量修饰符（仅用于变量） 关键字（可修饰方法、代码块）
原子性 不保证（如无法解决 i++） 保证（一次仅一线程执行）
可见性 保证（强制刷回主存/失效缓存） 保证（解锁前刷回主存）
有序性 保证（通过内存屏障禁止重排） 保证（通过单线程执行保证）
是否阻塞 否（轻量级，无线程切换） 是（可能导致线程阻塞和唤醒）
性能 极高（接近普通变量读写） 相对较低（涉及锁竞争和升级

happens-before

“happens-before” 表达的是：如果操作 A happens-before 操作 B，那么 A 的结果对 B 可见。

常见的：

  1. 程序顺序规则：单线程内，前面的操作 happens-before 后面的操作。
  2. volatile 变量规则：对一个 volatile 变量的写，happens-before 后续对该变量的读。
  3. 锁规则：unlock happens-before 后面对同一把锁的 lock。
  4. 传递性：A→B，B→C，则 A→C。
  5. 线程 start 规则：线程 A 执行 ThreadB.start()，则 A 中 start 前的操作对 B 可见。
  6. 线程 join 规则：B join 到 A，则 B 的所有操作对 A 可见。

剩下的JUC再学

完结撒花！