java并发编程之原子性问题

程序是否线程安全，取决于哪些要素呢，主要是以下三个：

原子性，

可见性，

有序性。

今天先一起来学习原子性。

原子性：

我理解一个操作不可再分，即为原子性。而在并发编程的环境中，原子性的含义就是只要该线程开始执行这一系列操作，要么全部执行，要么全部未执行，不允许存在执行一半的情况。

老生常谈的银行转账情况用于理解(仅限于理解，真实的银行转账没这么简单)：

A账户向B账户转钱，A账户转出1万元，银行就必须保证B账户收到1万元，即使有问题，也必须保证是A账户转出失败，钱还在A账户。不然A账户转了，B账户却没收到，银行的操作就不是原子性的，客户的利益受到损失。

谈及原子性问题，需要先了解Java内存模型的基本情况：

为了执行效率，java的内存被划分为工作内存与主内存（可类比为计算机的高速缓存与内存），如下图所示：

线程与工作内存和主内存

工作内存中，放着线程使用的主内存的拷贝。线程对变量的操作必须通过工作内存进行，而不能直接访问主内存，工作内存直接相互独立。

内存模型中，还定义了八种原子的操作指令，供程序使用，如下所示：

-----内容参考：《深入理解java虚拟机》----begin

lock(锁定)：作用于主内存，它把一个变量标记为一条线程独占状态；

read(读取)：作用于主内存，它把变量值从主内存传送到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用；

load(载入)：作用于工作内存，它把read操作的值放入工作内存中的变量副本中；

use(使用)：作用于工作内存，它把工作内存中的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用这个变量的指令时候，将会执行这个动作；

assign(赋值)：作用于工作内存，它把从执行引擎获取的值赋值给工作内存中的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的指令时候，执行该操作；

store(存储)：作用于工作内存，它把工作内存中的一个变量传送给主内存中，以备随后的write操作使用；

write(写入)：作用于主内存，它把store传送值放到主内存中的变量中。

unlock(解锁)：作用于主内存，它将一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才能够被其他线程锁定；

Java内存模型还规定了执行上述8种基本操作时必须满足如下规则:

1、不允许read和load、store和write操作之一单独出现（即不允许一个变量从主存读取了但是工作内存不接受，或者从工作内存发起会写了但是主存不接受的情况），以上两个操作必须按顺序执行，但没有保证必须连续执行，也就是说，read与load之间、store与write之间是可插入其他指令的。

2、不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存。

3、不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从线程的工作内存同步回主内存中。

4、一个新的变量只能从主内存中“诞生”，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）的变量，换句话说就是对一个变量实施use和store操作之前，必须先执行过了assign和load操作。

5、一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其执行lock操作，但lock操作可以被同一个条线程重复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。

6、如果对一个变量执行lock操作，将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，需要重新执行load或assign操作初始化变量的值。

7、如果一个变量实现没有被lock操作锁定，则不允许对它执行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。

8、对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存（执行store和write操作）。

-----内容参考：《深入理解java虚拟机》----end

因此我们写了一个程序，就很容易判断是否是具备原子性的，如下所示:

int x = 10; //语句1

long y=100;//语句2

int z = x; //语句3

x++; //语句4

z = z + 1; //语句5

volatile int a=0;

a=x;//语句6

语句1：只执行了assign语句，将10赋给工作内存中的x，原子的。

语句2：由于long类型为64位的，java可能会出现写两次32位数据到工作内存的情况，导致操作是非原子的(几乎所有虚拟机都对这种操作进行了封装，使其变为和原子操作)

语句3：use获取x的值，再assign赋值给z，非原子的。

语句4：user获取x的值，加1，在assign赋值给x，非原子的。

语句5：user获取z的值，加1，在assign赋值给z，非原子的。

语句6：use获取x的值，assign赋值给a，并且马上store将a的新值存储到主内存中，并将其他工作线程中的a值失效，非原子的。 如果其他线程要获取a的值，需要对应的工作内存重新从主内存中获取（volatile的可见性原理）。