原子性、可见性、有序性

Java内存模型是围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这3个特征来建立的。

  • 原子性（Atomicity）：由Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、load、use、assign、store、write，我们大致可以认为基本数据类型的访问读写是具备原子性的。
    如果需要一个更大范围的原子性操作，Java内存模型提供了lock和unlock操作来满足这种需求，尽管虚拟机未把lock和unlock操作直接开放给用户使用，但是却提供了更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐式地使用这两个操作，这两个字节码指令反应到Java代码中就是同步块---synchronized关键字，所以在synchronized块之间的操作也具备原子性。
  • 可见性（Visibility）：可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即得知这个修改。
    volatile、synchronized、final都可以实现可见性，synchronized可见性是由对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行store、write操作）这条规则获得的，        而final关键字的可见性是指：被final修饰的字段在构造器中一旦被初始化完成，并且构造器没有把this的引用传递出去，那在其他线程中就能见final字段的值。
  • 有序性（Ordering）：Java程序中天然的有序性可以总结为一句话：如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程，所有的操作都是无序的。前半句是指线程内表现为串行的语义（within-Thread  AS-if-Serial Semantics），后半句是指指令重排序现象和工作内存和猪呢从同步延迟现象。
    Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性，volatile关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义，而synchronized则是由一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock做这条规则获得的，这条规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行的进入。

先行发生原则（happens-before）是针对于内存模型中的有序性来说的。先行发生是java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系。

以下是java内存模型下一些天然的先行发生关系，这些先行发生关系无须任何同步器协助就已经存在，可以在编码中直接使用，如果通过下面关系无法确定顺序性，虚拟机可以对其随意地进行重排序。

  • 程序次序规则（Program  Order  Rule）：在一个线程内，按照程序代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。准确地说，应该是控制流顺序而不是程序代码顺序，因为考虑分支、循环等结构。
  • 管程锁定规则（Monitor Lock Rule）：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作，这里必须强调的是同一个多，而“后面”是指时间上的先后顺序。
  • volatile变量规则（Volatile  Variable Rule）：对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作，“后面”是指时间上的先后顺序。
  • 线程启动规则（Thread Start  Rule）：Thread对象的start（）方法先行发生于此线程的每一个动作。
  • 线程终止规则（Thread Termination Rule）：线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测，可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值等手段检测到线程已经终止执行。
  • 线程中断规则（Thread  Interruption Rule）：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时间的发生，可以通过Thread.interrupted()方法检测到是否有中断发生。
  • 对象终结规则（Finalizer  Rule）：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。
  • 传递性（Transitivity）：如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，那就可以得出操作A先行发生于操作C的结论。

时间先后顺序与先行发生原则之间基本没有太大的关系，所以衡量并发安全问题的时候不要受到时间顺序的干扰，一切必须以先行发生原则为准。