线程的三大特性（可见性、有序性、原子性）

本文主要是介绍线程的三大特性（可见性、有序性、原子性），希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

一、可见性

L1、L2、L3级缓存：

缓存中有变量时，如果不加限制，CPU直接从当前最近的缓存读取变量值，不会去内存中读，所以多核并发执行的线程之间可能同一个变量同一时间有不同的值（初始时刻缓存中没有的变量会从内存中读取，然后一级级的保存到缓存中，下次CPU使用时会从最近的缓存中读取该变量）

另外，不加限制的话，CPU什么时候将计算好的变量新值写入内存中也是无法预知的。

缓存行：为了减少从内存读数据的次数，每次操作系统访问内存空间都会一次性读取64Byte大小的数据，在缓存中以一行的形式存放该64字节数据。

缓存一致性：当某个CPU从内存中读取了一行缓存行并修改了其中某些变量的值，就需要通过总线嗅探机制与缓存一致性协议，通知缓存行中读取了这些数据的其他CPU也修改对应的变量值（缓存一致性协议：MESI、MEI、MOSI、Dragon）MESI对应缓存行的状态：M：Modified、E:Exclusive、S：Shared、I：Invalid。

Volatile也可以实现缓存一致性：volatile是由C++实现的，底层调用fence方法，会执行一个lock汇编指令，表示当前CPU独占该变量，其他CPU中包含该变量的缓存行会失效，当前CPU修改完变量后会通知其他CPU重新读取缓存行。

二、有序性

乱序执行：CPU流水线模式导致乱序执行指令（CPU速度是内存读取数据的速度的100倍）

汇编层对象的创建过程：IDEA-view的show Bytecode With Jclasslib可以查看java字节码

对象创建步骤:
1. 分配内存
2. 属性赋默认值
3. init方法给属性赋初始值
4. 引用和内存对象进行关联 （ps：对象半初始化乱序问题：3比4先执行，在还没有执行4时对象又被其他线程使用，得到的属性值是java中进本类型变量的默认值，而不是程序定义的初始值）

this对象溢出问题：《Java Effective》中建议不要在构造方法中运行线程，由于指令的乱序执行，可能其他线程会读到对象还没有初始化好的属性值。

Object o = new Object(); // 美团七连问

1. 对象的创建过程；（半初始化）
2. DCL单例是否需要加volatile问题；（指令重排）
3. 对象在内存中的存储布局；（对象与数组的存储不同）
4. 对象头包括什么；（markword、class pointer、sychronized）
5. 对象怎么定位；（直接、间接）
6. 对象怎么分配；（栈上-线程本地-Eden-Old）
7. Object o = new Object()在内存中占用多少字节（8+4+0+4）；
8. 为什么hotspot不使用C++对象来保存java对象；
9. Class对象是在堆还是方法区；

如何阻止指令乱序执行：

• CPU原语级别：加上屏障指令lock cmpxchg，强行阻止屏障前后指令不乱序
• JVM虚拟机层面：任何Java虚拟机都要实现LoadLoad、StoreStore、LoadStore、StoreLoad四种指令屏障，分别表示在屏障前后的（读与读、写与写、读与写、写与读）不能乱序（也就是Volatile的底层实现，在Volatile变量改动前后加以上几条指令屏障）

ps：补充知识

一、所有语言程序的基础——栈/堆
栈与堆：（栈由OS管理，程序员不需要管理栈内存，堆由程序员手动管理内存）
每个线程有自己的栈，栈中是栈帧的堆积，一个方法分配一个栈帧，方法中调用另一个方法就在栈顶加入一个栈帧，方法结束弹出该栈帧。

二、IDEA查看对象的内存布局

System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());  // 可以查看对象o的内存分布情况

Sychronized(o){  // 对象上加锁后，对象的内存布局System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
}

以上两者对比发现markword有差别，因为对象的锁信息保存在markword中；

64位hotspot 对markword的实现：

三、原子性

• 锁 == monitor（管程）

• 加锁区 == 临界区

CAS虽然叫做乐观锁或者无锁（只是在对象头改变了标记位，没有通过内核给对象上锁），但是其底层仍然使用了锁（对CAS的比较操作上锁，保证其比较时的几个步骤不会被其他线程打断，对过程上锁，不是对对象上锁），其基于unsafe类的方法实现；

unsafe类的compareandset方法来自C++的本地方法，编译成汇编语言后在CAS操作的过程中加了一个lock指令（lock_if_mp），lock指令在硬件层面保证CPU执行的一系列指令是原子的。—— CAS – unsafe-- lock

CAS存在的两个问题：

• ABA问题 —— 用版本号解决；（基本数据类型没事，引用类型可能其指向的对象会被改变）
• CAS本身由多步骤组成，非原子性 —— 底层靠汇编语言的lock指令（lock_if_mp，如果是多处理器则加锁）,CPU执行lock指令时会锁定一个北桥信号，保证当前比较操作不会被其他线程打断；

乐观锁与悲观锁的选择：

• 悲观锁：参考ReentrantLock基于AQS的实现，会采用一个等待队列，在队列中的线程被挂起不会消耗CPU资源；
• 乐观锁：一个线程占用锁，多个其余线程自旋循环请求，消耗CPU资源；

因此：线程少，线程持有锁的时间短就用乐观锁，相反用悲观锁；

这篇关于线程的三大特性（可见性、有序性、原子性）的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

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