Java线程安全中的有序性浅析

什么是线程安全

线程安全是指多线程环境下，同一段代码在并发执行时不会产生任何问题，包括但不限于数据竞争、死锁、活锁等。Java中的线程安全主要有两种实现方式，即同步以及非同步。

什么是有序性

有序性是指程序执行时，指令按照代码的先后顺序执行的特性。在多线程环境下，由于可能存在并行执行，指令执行的顺序可能和代码的先后顺序不同，从而导致程序出现异常。Java内存模型中的有序性通过Happens-Before的概念实现。

Happens-Before规则

Happens-Before规则是Java内存模型中保证有序性的一种机制，它规定了一些语句或操作之间的执行顺序：

1. 程序的顺序性规则：一个线程中按照程序的书写顺序执行。
2. volatile原则：对一个volatile变量的写操作先于对该变量的读操作。
3. 传递性规则：如果操作A Happens-Before操作B，操作B Happens-Before操作C，那么操作A Happens-Before操作C。
4. 管程锁定原则：一个unlock操作先于后面对同一个锁的lock操作。
5. 线程启动原则：Thread对象的start()方法 Happens-Before此线程的每一个动作。
6. 线程中断原则：对线程interrupt()方法的调用，Happens-Before对捕获到该方法抛出异常的操作的执行。
7. 对象终结原则：一个对象的初始化完成先于它的finalize()方法的开始。

有序性示例1

public class OrderExample1 {
    private static int a = 0;
    private static boolean flag = false;
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Thread threadA = new Thread(() -> {
            a = 1;
            flag = true;
        });

        Thread threadB = new Thread(() -> {
            if (flag) {
                a *= 1;
            }
            if (a == 0) {
                System.out.println("变量a为0");
            }
        });

        threadA.start();
        threadB.start();

        threadA.join();
        threadB.join();
    }
}

在示例1中，多线程环境下，由于指令执行的乱序，竟然会出现输出"a为0"的情况。这就是因为在线程A中，写变量a的操作先于写变量flag的操作，而线程B中，读变量flag的操作先于读变量a的操作，由于Happens-Before规则的限制，导致B线程读到的flag为true，但是a还未被写入1，因此a的值仍旧为0，从而输出"a为0"。

有序性示例2

public class OrderExample2 {
    private static int x = 0, y = 0, a = 0, b = 0;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            a = 1;
            x = b;
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            b = 1;
            y = a;
        });

        thread1.start();
        thread2.start();

        thread1.join();
        thread2.join();

        System.out.println("x=" + x + ", y=" + y);
    }
}

在示例2中，多线程环境下，由于指令执行的乱序，竟然会出现输出"x=0, y=1"或"x=1, y=0"的情况。这就是因为线程1中，写变量a的操作先于写变量x的操作，而在线程2中，写变量b的操作先于写变量y的操作，由于Happens-Before规则的限制，线程1与线程2之间没有任何Happens-Before关系，就出现了两种不同的情况。

总结

Java的多线程开发需要特别注意线程安全和有序性问题，否则会导致程序异常。要想保证程序的正确性，开发者可以使用synchronized、ReentrantLock等同步器来实现线程安全，而Happens-Before规则可以保证程序的执行顺序，进而保证程序的正确性。需要注意的是，Happens-Before虽然保证了执行顺序，但不是线程安全的解决方案，还需要通过其他方式来实现线程安全。

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