Java多线程并发编程：并发三大要素

多线程编程本质上就是并发编程，而对于并发编程，有三个重要的要素：原子性、可见性和有序性。

原子性

原子性指的是一个操作是不可被打断的，即要么执行成功，要么执行失败，不会存在执行一半的情况。在多线程环境下，多个线程同时访问同一个变量时，可能会发生数据竞争。数据竞争常常发生在复合操作时，例如i++这样的简单操作，看似只有一行代码，但是其中包含了读取i的值、计算i+1、将i+1的值写入内存、刷新缓存等多个操作，这些操作不是原子性的，因此可能会出现数据竞争。为了解决数据竞争，Java提供了synchronized和lock关键字来保证线程安全。

下面是一个简单的数据竞争示例，未加锁对共享资源进行修改：

public class Counter extends Thread{
    private static int count = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Counter c1 = new Counter();
        Counter c2 = new Counter();

        c1.start();
        c2.start();

        c1.join();
        c2.join();

        System.out.println("count = " + count);
    }

    public void run() {
        for(int i=0; i<10000; i++) {
            count++;
        }
    }
}

在多次运行后会发现结果并不稳定，产生了数据竞争。如果对count++加锁，可以解决数据竞争的问题。

可见性

可见性指的是多个线程访问同一个变量时，变量在内存中的值应该保持一致。但是，由于JVM为了提高执行效率，会对变量进行优化，在执行过程中将变量缓存在CPU的寄存器或者CPU Cache中；此时，其他线程可能无法立即看到该变量的变化。这就导致线程之间对同一个变量的值是不一致的。为了解决可见性问题，Java提供了volitile关键字来保证共享变量的修改对线程的可见性。

下面是一个可见性问题的示例：

public class VisibilityDemo extends Thread {

    private boolean stop = false;

    public void stopMe() {
        stop = true;
    }

    public void run() {
        int i = 0;
        while (!stop) {
            i++;
        }
        System.out.println("Thread stoped." + i);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        VisibilityDemo thread = new VisibilityDemo();
        thread.start();
        Thread.sleep(1000);
        thread.stopMe();
        System.out.println("stop flag stoped.");
    }
}

该程序会启动一个线程，并且标志位stop的初始值为false。在主线程中，让线程睡眠1000ms后，将stop标志位设置为true，但由于可见性问题，线程并未停止。如果将stop标志位加上volatile修饰符，可避免可见性问题。

有序性

有序性指的是在多线程执行时，指令不能乱序执行，必须按照代码的原有顺序执行。在Java内存模型中，有一些指令是具有同步性质的，例如synchronized、volatile和Lock等关键字。在这些指令的前后，会自动加入内存屏障，保证指令按照代码原有顺序执行。在Java中，可以使用synchronized关键字或者volatile关键字保证内存屏障的插入。

示例代码：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class OrderDemo extends Thread {

    static AtomicInteger x = new AtomicInteger(0);
    static AtomicInteger y = new AtomicInteger(0);
    static AtomicInteger a = new AtomicInteger(0);
    static AtomicInteger b = new AtomicInteger(0);

    public void run() {
        int i = a.get();
        x.set(i);
        b.set(1);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread one = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                a.set(1);
                y.set(b.get());
            }
        });

        Thread other = new OrderDemo();
        one.start();
        other.start();
        one.join();
        other.join();
        System.out.println("(" + x.get() + "," + y.get() + ")");
    }
}

该代码中，one线程中，先将a的值设置为1,再将b的值设置为1。在other线程中，a的值被获取赋值给i,再将i的值给x，最后将1赋值给b，程序输出结果会出现不同的情况，有可能输出(0,1)，有时候输出(0,0)。加上synchronized关键字或者volatile关键字后，可以避免乱序执行问题，使输出值恒定为(1,1)。

以上就是Java多线程并发编程中的三大要素：原子性、可见性和有序性的详细讲解以及示例分析。