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Java并发编程从入门到进阶 多场景实战

temp10 2025-07-19 22:32:07 java教程 5 ℃ 0 评论

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一文搞懂 Java 线程安全：原子性、可见性、有序性的底层原理

Java 线程安全是并发编程的核心议题，理解其底层原理需要深入 Java 内存模型（JMM）。本文将结合 JMM 解析并发编程的三大特性（原子性、可见性、有序性）及其典型线程安全问题。

Java并发编程从入门到进阶 多场景实战

一、Java 内存模型（JMM）基础

JMM 定义了线程和主内存之间的抽象关系：

  • 主内存（Main Memory）：所有线程共享的内存区域
  • 工作内存（Working Memory）：每个线程私有的内存区域，存储主内存的副本

线程操作流程：

  1. 线程读取变量时，从主内存复制到工作内存
  2. 线程修改变量时，先在工作内存修改，再刷新回主内存

二、并发编程的三大特性

1. 原子性（Atomicity）

定义：操作不可分割，要么全部执行，要么全部不执行

JMM 体现：

  • 基本数据类型（除 long/double 外）的读写是原子的
  • volatile 保证变量的原子性读写（仅限 32 位）
  • synchronized 块中的操作是原子的

典型问题：竞态条件（Race Condition）

java


// 非原子操作导致的竞态条件


public class Counter {


private int count = 0;




public void increment() {


count++; // 非原子操作（读-改-写）


}


}

解决方案：

  • 使用 synchronized
  • 使用 AtomicInteger 等原子类

2. 可见性（Visibility）

定义：一个线程对共享变量的修改，能及时被其他线程看到

JMM 原因：

  • 线程修改变量后，可能不会立即刷新到主内存
  • 其他线程可能读取到旧值（工作内存缓存）

典型问题：

java


public class VisibilityProblem {


private static boolean flag = false;




public static void main(String[] args) {


new Thread(() -> {


while (!flag) { // 可能永远无法退出循环


// 业务逻辑


}


}).start();




try {


Thread.sleep(1000);


} catch (InterruptedException e) {


e.printStackTrace();


}




flag = true; // 修改可能不会立即被其他线程看到


}


}

解决方案：

  • volatile 关键字
  • synchronized
  • final 关键字（初始化时保证可见性）

3. 有序性（Ordering）

定义：程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行

JMM 原因：

  • 编译器优化（指令重排）
  • 处理器优化（乱序执行）
  • 内存系统的重排序

典型问题：

java


public class ReorderingProblem {


private static int x = 0, y = 0;


private static int a = 0, b = 0;




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


Thread one = new Thread(() -> {


a = 1;


x = b; // 可能读取到 b=0


});




Thread two = new Thread(() -> {


b = 1;


y = a; // 可能读取到 a=0


});




one.start();


two.start();


one.join();


two.join();




System.out.println("(" + x + "," + y + ")"); // 可能输出 (0,0)


}


}

解决方案：

  • volatile 禁止指令重排
  • synchronized
  • happens-before 原则

三、happens-before 原则

JMM 定义了 8 条 happens-before 规则，用于保证程序的执行顺序：

  1. 程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before 于该线程中的任意后续操作
  2. 监视器锁规则：对一个锁的解锁，happens-before 于随后对这个锁的加锁
  3. volatile 变量规则：对一个 volatile 域的写，happens-before 于任意后续对这个 volatile 域的读
  4. 传递性：如果 A happens-before B，且 B happens-before C，那么 A happens-before C
  5. start() 规则：如果线程 A 执行操作 ThreadB.start()，那么 A 线程的 ThreadB.start() 操作 happens-before 于线程 B 中的任意操作
  6. join() 规则：如果线程 A 执行操作 ThreadB.join() 并成功返回，那么线程 B 中的任意操作 happens-before 于线程 A 从 ThreadB.join() 操作成功返回
  7. 线程中断规则：对线程 interrupt() 方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生
  8. 对象终结规则：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行发生于它的 finalize() 方法的开始

四、典型线程安全问题解决方案

1. 使用synchronized

java


public class SynchronizedCounter {


private int count = 0;




public synchronized void increment() {


count++; // 保证原子性、可见性和有序性


}




public synchronized int getCount() {


return count; // 保证可见性


}


}

2. 使用volatile

java


public class VolatileFlag {


private volatile boolean flag = false;




public void setFlag(boolean flag) {


this.flag = flag; // 保证可见性


}




public boolean getFlag() {


return flag; // 保证可见性


}


}

3. 使用原子类

java


import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;




public class AtomicCounter {


private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);




public void increment() {


count.incrementAndGet(); // 保证原子性和可见性


}




public int getCount() {


return count.get(); // 保证可见性


}


}

4. 使用Lock接口

java


import java.util.concurrent.locks.Lock;


import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;




public class LockCounter {


private int count = 0;


private final Lock lock = new ReentrantLock();




public void increment() {


lock.lock();


try {


count++; // 保证原子性、可见性和有序性


} finally {


lock.unlock();


}


}




public int getCount() {


lock.lock();


try {


return count; // 保证可见性


} finally {


lock.unlock();


}


}


}

五、总结

  1. 原子性：操作不可分割，使用 synchronized、原子类等保证
  2. 可见性：一个线程的修改能被其他线程看到，使用 volatile、synchronized 等保证
  3. 有序性：程序执行顺序符合代码顺序，使用 volatile、synchronized 和 happens-before 原则保证

理解这些底层原理和解决方案，是编写高效、安全的并发程序的基础。在实际开发中，应根据场景选择合适的同步机制，平衡性能和安全性。

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