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在Java里原子性可见性有序性如何理解_Java并发特性说明

P粉602998670

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发布时间:2026-02-04 10:27:09

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来源于php中文网

原创

原子性指对其他线程不可见中间状态,如++i非原子因含iload、iinc、istore三步;可见性失效源于缓存与重排序,volatile可强制可见但不保证复合操作原子性;有序性由happens-before规则保障,三者常相互关联。

在java里原子性可见性有序性如何理解_java并发特性说明

原子性不是“不可分割”,而是“对其他线程不可见中间状态”

很多人误以为 ++i 是原子操作,其实它在 Java 中对应三条字节码:iloadiincistore。多线程下,两个线程可能同时读到旧值,各自加 1 后写回,结果只加了一次。

真正能保证原子性的,是 java.util.concurrent.atomic 包里的类,比如 AtomicIntegerincrementAndGet() 方法——它底层依赖 CPU 的 CAS(Compare-And-Swap)指令,失败就重试,整个过程对其他线程表现为“要么没发生,要么全做完”。

注意:synchronized 或 Lock 能“用互斥模拟原子性”,但本质是阻塞+串行,不是原子指令;而 AtomicInteger无锁的、非阻塞的原子性。

可见性失效的根本原因是缓存与重排序

一个线程修改了普通变量 flag = true,另一个线程可能一直读到 false——这不是 JVM bug,而是因为:① 线程可能从自己的 CPU 缓存或寄存器读值,没及时从主内存刷新;② 编译器/JVM 可能把读操作提前、把写操作延后,只要单线程语义不变。

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强制可见性的办法有三个:

  • volatile 关键字:禁止该变量的指令重排序,并且每次读都从主内存取,每次写都立即刷回主内存
  • synchronized 块的解锁操作会刷新所有共享变量到主内存,加锁操作会清空本地工作内存(即强制重读)
  • 显式使用 VarHandleloadOpaque()/storeOpaque() 或更强的 fullFence()

注意:volatile 不保证复合操作的原子性(如 volatile int count; 不能靠它做 count++),只保单个读/写可见。

有序性靠 happens-before 规则定义,不是“代码顺序执行”

Java 内存模型(JMM)不保证代码写的顺序就是运行时执行顺序。比如:

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int a = 1;
int b = 2;
int c = a + b;

编译器可能把 a=1b=2 换序,只要不影响本线程结果;但若另一线程依赖 ab 都写完才读,那就必须建立 happens-before 关系。

常见 happens-before 关系包括:

  • 程序顺序规则:同一个线程中,前面的操作 happens-before 后面的操作
  • 监视器锁规则:unlock happens-before 后续的 lock
  • volatile 变量规则:对 volatile 变量的写 happens-before 后续对它的读
  • 线程启动规则:Thread.start() happens-before 子线程的任意动作
  • 线程终止规则:子线程所有动作 happens-before join() 返回

没有 happens-before 关系的操作,JVM 就可以重排序——这是性能优化的基础,也是并发 bug 的温床。

三者从来不是孤立存在,改一个常牵动另外两个

比如用 synchronized 修饰方法,它同时提供:原子性(临界区互斥)、可见性(解锁刷主存)、有序性(解锁和加锁构成 happens-before)。

又比如 volatile:它单独提供可见性和有序性(禁止相关重排序),但不提供原子性;若想用它实现计数器,必须配合 CAS 循环(如 AtomicInteger.weakCompareAndSet())。

最容易被忽略的是:final 字段的特殊语义——构造器内对 final 字段的写,与对象引用的发布之间存在 happens-before(前提是构造过程没发生 this 逃逸)。这意味着正确发布的对象,其 final 字段对其他线程天然可见且不可变。

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