Java 併發編程核心理論：共享性、互斥性、原子性、可見性與有序性深度講解

Java 併發編程核心理論：共享性、互斥性、原子性、可見性與有序性深度講解

併發編程難點在於正確處理共享可變數據。本文從五大理論支柱構建知識體系，配合代碼驗證與 JMM 圖解。

一、共享性：問題根源

若數據僅線程內可見，不存在安全問題。多線程必然共享數據（如數據庫連接池、緩存、單例）。

// 10線程各加100次，預期1000，實際<1000
static int count = 0;
void addCount() { count++; } // 非原子，競態條件

二、互斥性：同步手段

• 讀讀可並發，寫寫/讀寫互斥。
• synchronized 提供獨佔鎖，分共享鎖(讀)與排它鎖(寫)。
• 加鎖後 addCount() 串行化，結果恆為 1000。

三、原子性：不可分割操作

i++ 三步：讀取、加一、寫回。多線程交織導致更新丟失。

// 線程A讀取100，線程B讀取100，均寫回101，丟失一次更新

• 保證原子性：鎖（synchronized/Lock）或 CAS（AtomicInteger）。
• CAS 缺陷：ABA 問題（值變回原值無法感知），AtomicStampedReference 解決。

四、可見性：JMM 內存模型

• 主內存存共享變量，各線程有工作內存（緩存）副本。
• 無同步時，線程 A 寫入主內存，線程 B 可能仍讀舊緩存值。
• volatile/synchronized 強制刷新/失效緩存，保證可見性。

// 可見性失效示例
static boolean ready = false;
static int number = 0;
// Writer: number=100; ready=true;
// Reader: if(!ready) print ready; print number; // 可能印 false 0

五、有序性：重排序規則

編譯器、處理器、內存系統三類重排序：

1. 編譯器優化重排（單線程語義不變）。
2. 指令級並行重排（無數據依賴）。
3. 內存系統重排（緩存/寫緩衝）。

// JSR-133 合法重排示例
// 初始 x=y=0
// 線程1: x=1; r1=y;
// 線程2: y=1; r2=x;
// 可能結果 r1=0, r2=0 (指令重排導致)

• volatile/synchronized 建立 happens-before 關系，禁止特定重排。

總結

掌握共享性→互斥性→原子性→可見性→有序性五層遞進關系，是寫出正確高效併發代碼的理論基石。後續實戰工具（JUC 包、並發集合、同步器）均建立於此。