Java 多线程三大核心

原子性

在并发编程中，原子性的定义不应该和事务中的原子性（一旦代码运行异常可以回滚）一样。应该理解为：一段代码，或者一个变量的操作，在一个线程没有执行完之前，不能被其他线程执行。

• 原子操作是对于多线程而言的，对于单一线程，无所谓原子性。
• 原子操作是针对共享变量的。
• 原子操作是不可分割的。指访问某个共享变量的操作从其执行线程之外的线程来看，该操作要么已经执行完毕，要么尚未发生，其他线程不会看到执行操作的中间结果。

注意：
java内存模型要求lock、unlock、read、load、assign、use、store、write这8个操作都具有原子性，但是对于64位的数据类型（long和double）,在模型中特别定义了一条先对宽松的规定：允许虚拟机将没有被volatile修饰的64位数据的读写操作划分为2次32位的操作来执行，即允许虚拟机实现选择可以不保证64位数据类型的read、store、load和write这4个操作的原子性。这就是所谓的long和double的非原子性协定。(以上针对于32位虚拟机来讲的，64位JVM虚拟机不用考虑了，不存在这种情况；)如果有两个线程同时写一个变量内存，一个进程写低32位，而另一个写高32位，这样将导致获取的64位数据是失效的数据。

为什么会存在原子性问题？

线程是CPU调度的基本单位。CPU会根据不同的调度算法进行线程调度，将时间片分派给线程。当一个线程获得时间片之后开始执行，在时间片耗尽之后，就会失去CPU使用权。多线程场景下，由于时间片在线程间轮换，就会发生原子性问题。
例如：代码中的count += 1，至少需要三条CPU指令。

• 指令1：首先，需要把变量count从内存加载到CPU的寄存器；
• 指令2：之后，在寄存器中执行+1操作；
• 指令3：最后，将结果写入内存（缓存机制导致可能写入的是CPU缓存而不是内存）。

操作系统做任务切换，可以发生在任何一条CPU指令执行完，是的，是CPU指令，而不是高级语言里的一条语句。

对于上面的三条指令来说，我们假设count=0，如果线程A在指令1执行完后做线程切换，线程A和线程B按照下图的序列执行，那么我们会发现两个线程都执行了count+=1的操作，但是得到的结果不是我们期望的2，而是1。

如果是基础类的自增操作可以使用 AtomicInteger 这样的原子类来实现(其本质是利用了 CPU 级别的 的 CAS 指令来完成的)。

可见性

volatile保证了不同线程对volatile修饰变量进行操作时的可见性。volatile 关键字只能保证可见性，顺序性，不能保证原子性。

• 对一个volatile变量的读，（任意线程）总是能看到对这个volatile变量最后的写入。

• 一个线程修改volatile变量的值时，该变量的新值会立即刷新到主内存中，这个新值对其他线程来说是立即可见的。

• 一个线程读取volatile变量的值时，该变量在本地内存中缓存无效，需要到主内存中读取。

顺序性

程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。导致乱序的原因有：指令的重排序和存储子系统的重排序。分别来自编译器处理器和高速缓存写缓冲器。

编译器为了优化性能，有时候会改变程序中语句的先后顺序。例如程序中：“a=6；b=7；”编译器优化后可能变成“b=7；a=6；”，在这个例子中，编译器调整了语句的顺序，但是不影响程序的最终结果。不过有时候编译器及解释器的优化可能导致意想不到的Bug。

例如单例设计模式：

public class Singleton {
  static Singleton instance;
  static Singleton getInstance(){
    if (instance == null) {
      synchronized(Singleton.class) {
        if (instance == null)
          instance = new Singleton();
        }
    }
    return instance;
  }
}

instance = new Singleton(); 创建对象的代码，分为三步：
①分配内存空间
②初始化对象Singleton
③将内存空间的地址赋值给instance

但是这三步经过重排之后：
①分配内存空间
②将内存空间的地址赋值给instance
③初始化对象Singleton
执行时序图：

线程A先执行getInstance()方法，当执行完指令②时恰好发生了线程切换，切换到了线程B上；如果此时线程B也执行getInstance()方法，那么线程B在执行第一个判断时会发现instance!=null，所以直接返回instance，而此时的instance是没有初始化过的，如果我们这个时候访问instance的成员变量就可能触发空指针异常。