Java并发三要素：原子性、可见性、有序性

好的，我们来详细解释一下 Java 中的原子性、可见性和有序性。这三个概念是多线程编程中非常重要的基础，它们定义了线程如何安全地访问和修改共享数据。

原子性
- 定义：原子性是指一个操作是不可中断的。要么这个操作完全执行完毕，要么完全不执行。它保证了在多线程环境下，当一个线程执行某个操作时，不会被其他线程干扰。
- 在 Java 中的体现 ：
  - 基本数据类型的读写（除了 long 和 double）通常被认为是原子的（虽然 JVM 规范允许实现有例外，但主流 JVM 实现通常保证其原子性）。
  - 对于 long 和 double，由于它们是 64 位的，在 32 位 JVM 上，写操作可能被拆分成两个 32 位的操作，这就不是原子的。不过，现代 64 位 JVM 通常能保证其原子性。为了确保可移植性，如果需要对它们进行原子读写，应使用 volatile 声明或通过同步机制保护。
  - i++（读取、修改、写入）这样的复合操作不是原子的，即使 i 是 int 类型。
  - 保证原子性的机制 ：使用 synchronized 关键字或 java.util.concurrent.atomic 包下的原子类（如 AtomicInteger, AtomicLong）可以保证操作的原子性。volatile 关键字本身只能保证单个读/写操作的原子性，不能保证像 i++ 这样的复合操作的原子性。
可见性
- 定义：可见性是指当一个线程修改了共享变量的值后，其他线程能够立即看到修改后的值。
- 问题根源：由于现代计算机体系结构，每个线程为了执行效率，可能会将共享变量拷贝一份到自己的工作内存（通常是 CPU 的寄存器或高速缓存）中。线程对变量的操作首先是在自己的工作内存中进行，之后再同步回主内存。这就可能导致一个线程修改了共享变量后，另一个线程看到的仍然是旧值。
- 在 Java 中的保证机制 ：
  - volatile 关键字：当声明一个变量为 volatile 时，对该变量的写操作会立即刷新回主内存，并且该变量的读取总是从主内存读取（或者确保看到最新的值）。这保证了修改对其他线程的可见性。
  - synchronized 关键字：在释放锁时，会将线程工作内存中的所有共享变量刷新回主内存；在获取锁时，会使线程工作内存中的共享变量无效，从而强制从主内存重新读取。
  - final 关键字：final 修饰的字段在构造器中被正确初始化后（没有发生 this 引用逸出），其值对其他线程是可见的。
有序性
- 定义：有序性是指程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。
- 问题根源：编译器和处理器为了提高性能，可能会对指令进行重排序（Reordering）。重排序在单线程环境下不会影响最终结果（遵循 as-if-serial 语义），但在多线程环境下，可能会破坏程序的逻辑，导致意想不到的结果。
- 在 Java 中的保证机制 ：
  - volatile 关键字：volatile 除了保证可见性，还通过添加内存屏障来禁止指令重排序。具体来说：
    - 写 volatile 变量之前的操作不会被重排序到写之后。
    - 读 volatile 变量之后的操作不会被重排序到读之前。
  - synchronized 关键字：synchronized 块内的代码，虽然内部可能发生重排序，但由于互斥性，整个 synchronized 块相对于其他 synchronized 块（或非同步代码）的执行顺序是有序的。
  - Happens-Before 原则 ：Java 内存模型（JMM）定义了一系列的 Happens-Before 规则，规定了哪些操作必须在哪些操作之前发生，从而天然地保证了某些情况下的有序性（例如，同一个线程内的顺序、锁的释放先于后续获取、volatile 变量的写先于后续读等）。

总结

原子性 ：关注操作的不可分割性。synchronized 和原子类可以保证。
可见性 ：关注一个线程的修改能否被其他线程及时看到。volatile 和 synchronized 可以保证。
有序性 ：关注指令执行的顺序是否符合预期。volatile 和 synchronized 通过限制重排序来保证，Happens-Before 原则是其基础。

理解这三个特性对于编写正确、可靠的多线程 Java 程序至关重要。synchronized 关键字可以同时保证原子性、可见性和有序性，但可能会带来性能开销。volatile 关键字可以保证可见性和有序性（限制部分重排序），但不能保证复合操作的原子性。原子类则通过 CAS 操作提供特定操作的原子性保证。