java线程安全总结

时间  2019-12-15
标签 java 线程 安全 总结 栏目 Java 繁體版
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同的平台，内存模型是不同的，可是jvm的内存模型规范是统一的。其实java的多线程并发问题最终都会反映在java的内存模型上，所谓线程安全无非是要控制多个线程对某个资源的有序访问或修改。总结java的内存模型，要解决两个主要的问题：可见性和有序性。咱们都知道计算机有高速缓存的存在，处理器并非每次处理数据都是取内存的。JVM定义了本身的内存模型，屏蔽了底层平台内存管理细节，对于java开发人员，要清楚在jvm内存模型的基础上，若是解决多线程的可见性和有序性。
       那么，何谓可见性？ 多个线程之间是不能互相传递数据通讯的，它们之间的沟通只能经过共享变量来进行。Java内存模型（JMM）规定了jvm有主内存，主内存是多个线程共享的。当new一个对象的时候，也是被分配在主内存中，每一个线程都有本身的工做内存，工做内存存储了主存的某些对象的副本，固然线程的工做内存大小是有限制的。当线程操做某个对象时，执行顺序以下：
 (1) 从主存复制变量到当前工做内存 (read and load)
 (2) 执行代码，改变共享变量值 (use and assign)
 (3) 用工做内存数据刷新主存相关内容 (store and write)java

JVM规范定义了线程对主存的操做指令：read，load，use，assign，store，write。当一个共享变量在多个线程的工做内存中都有副本时，若是一个线程修改了这个共享变量，那么其余线程应该可以看到这个被修改后的值，这就是多线程的可见性问题。
        那么，什么是有序性呢 ？线程在引用变量时不能直接从主内存中引用,若是线程工做内存中没有该变量,则会从主内存中拷贝一个副本到工做内存中,这个过程为read-load,完成后线程会引用该副本。当同一线程再度引用该字段时,有可能从新从主存中获取变量副本(read-load-use),也有可能直接引用原来的副本(use),也就是说 read,load,use顺序能够由JVM实现系统决定。
        线程不能直接为主存中中字段赋值，它会将值指定给工做内存中的变量副本(assign),完成后这个变量副本会同步到主存储区(store-write)，至于什么时候同步过去，根据JVM实现系统决定.有该字段,则会从主内存中将该字段赋值到工做内存中,这个过程为read-load,完成后线程会引用该变量副本，当同一线程屡次重复对字段赋值时,好比：缓存

Java代码 安全

  1. for(int i=0;i<10;i++)  
  2. a++;  

 


线程有可能只对工做内存中的副本进行赋值,只到最后一次赋值后才同步到主存储区，因此assign,store,weite顺序能够由JVM实现系统决定。假设有一个共享变量x，线程a执行x=x+1。从上面的描述中能够知道x=x+1并非一个原子操做，它的执行过程以下：
1 从主存中读取变量x副本到工做内存
2 给x加1
3 将x加1后的值写回主 存
若是另一个线程b执行x=x-1，执行过程以下：
1 从主存中读取变量x副本到工做内存
2 给x减1
3 将x减1后的值写回主存 
那么显然，最终的x的值是不可靠的。假设x如今为10，线程a加1，线程b减1，从表面上看，彷佛最终x仍是为10，可是多线程状况下会有这种状况发生：
1：线程a从主存读取x副本到工做内存，工做内存中x值为10
2：线程b从主存读取x副本到工做内存，工做内存中x值为10
3：线程a将工做内存中x加1，工做内存中x值为11
4：线程a将x提交主存中，主存中x为11
5：线程b将工做内存中x值减1，工做内存中x值为9
6：线程b将x提交到中主存中，主存中x为9 
一样，x有可能为11，若是x是一个银行帐户，线程a存款，线程b扣款，显然这样是有严重问题的，要解决这个问题，必须保证线程a和线程b是有序执行的，而且每一个线程执行的加1或减1是一个原子操做。看看下面代码：多线程

Java代码 并发

  1. public class Account {  
  3. private int balance;  
  5. public Account(int balance) {  
  6. this.balance = balance;  
  7. }  
  9. public int getBalance() {  
  10. return balance;  
  11. }  
  13. public void add(int num) {  
  14. balance = balance + num;  
  15. }  
  17. public void withdraw(int num) {  
  18. balance = balance - num;  
  19. }  
  21. public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
  22. Account account = new Account(1000);  
  23. Thread a = new Thread(new AddThread(account, 20), "add");  
  24. Thread b = new Thread(new WithdrawThread(account, 20), "withdraw");  
  25. a.start();  
  26. b.start();  
  27. a.join();  
  28. b.join();  
  29. System.out.println(account.getBalance());  
  30. }  
  32. static class AddThread implements Runnable {  
  33. Account account;  
  34. int     amount;  
  36. public AddThread(Account account, int amount) {  
  37. this.account = account;  
  38. this.amount = amount;  
  39. }  
  41. public void run() {  
  42. for (int i = 0; i < 200000; i++) {  
  43. account.add(amount);  
  44. }  
  45. }  
  46. }  
  48. static class WithdrawThread implements Runnable {  
  49. Account account;  
  50. int     amount;  
  52. public WithdrawThread(Account account, int amount) {  
  53. this.account = account;  
  54. this.amount = amount;  
  55. }  
  57. public void run() {  
  58. for (int i = 0; i < 100000; i++) {  
  59. account.withdraw(amount);  
  60. }  
  61. }  
  62. }  
  63. }  

 


第一次执行结果为10200，第二次执行结果为1060，每次执行的结果都是不肯定的，由于线程的执行顺序是不可预见的。这是java同步产生的根源，synchronized关键字保证了多个线程对于同步块是互斥的，synchronized做为一种同步手段，解决java多线程的执行有序性和内存可见性，而volatile关键字之解决多线程的内存可见性问题。后面将会详细介绍。jvm

 


synchronized关键字 
        上面说了，java用synchronized关键字作为多线程并发环境的执行有序性的保证手段之一。当一段代码会修改共享变量，这一段代码成为互斥区或临界区，为了保证共享变量的正确性，synchronized标示了临界区。典型的用法以下：this

Java代码 spa

  1. synchronized(锁){  
  2. 临界区代码  
  3. }   

 


为了保证银行帐户的安全，能够操做帐户的方法以下：线程

Java代码 对象

  1. public synchronized void add(int num) {  
  2. balance = balance + num;  
  3. }  
  4. public synchronized void withdraw(int num) {  
  5. balance = balance - num;  
  6. }  

 


刚才不是说了synchronized的用法是这样的吗：

Java代码 

  1. synchronized(锁){  
  2. 临界区代码  
  3. }  

 


那么对于public synchronized void add(int num)这种状况，意味着什么呢？其实这种状况，锁就是这个方法所在的对象。同理，若是方法是public  static synchronized void add(int num)，那么锁就是这个方法所在的class。
        理论上，每一个对象均可以作为锁，但一个对象作为锁时，应该被多个线程共享，这样才显得有意义，在并发环境下，一个没有共享的对象做为锁是没有意义的。假若有这样的代码：

Java代码 

  1. public class ThreadTest{  
  2. public void test(){  
  3. Object lock=new Object();  
  4. synchronized (lock){  
  5. //do something  
  6. }  
  7. }  
  8. }  

 


lock变量做为一个锁存在根本没有意义，由于它根本不是共享对象，每一个线程进来都会执行Object lock=new Object();每一个线程都有本身的lock，根本不存在锁竞争。
        每一个锁对象都有两个队列，一个是就绪队列，一个是阻塞队列，就绪队列存储了将要得到锁的线程，阻塞队列存储了被阻塞的线程，当一个被线程被唤醒(notify)后，才会进入到就绪队列，等待cpu的调度。当一开始线程a第一次执行account.add方法时，jvm会检查锁对象account的就绪队列是否已经有线程在等待，若是有则代表account的锁已经被占用了，因为是第一次运行，account的就绪队列为空，因此线程a得到了锁，执行account.add方法。若是刚好在这个时候，线程b要执行account.withdraw方法，由于线程a已经得到了锁尚未释放，因此线程b要进入account的就绪队列，等到获得锁后才能够执行。
一个线程执行临界区代码过程以下：
1 得到同步锁
2 清空工做内存
3 从主存拷贝变量副本到工做内存
4 对这些变量计算
5 将变量从工做内存写回到主存
6 释放锁
可见，synchronized既保证了多线程的并发有序性，又保证了多线程的内存可见性。


生产者/消费者模式 
        生产者/消费者模式实际上是一种很经典的线程同步模型，不少时候，并非光保证多个线程对某共享资源操做的互斥性就够了，每每多个线程之间都是有协做的。
        假设有这样一种状况，有一个桌子，桌子上面有一个盘子，盘子里只能放一颗鸡蛋，A专门往盘子里放鸡蛋，若是盘子里有鸡蛋，则一直等到盘子里没鸡蛋，B专门从盘子里拿鸡蛋，若是盘子里没鸡蛋，则等待直到盘子里有鸡蛋。其实盘子就是一个互斥区，每次往盘子放鸡蛋应该都是互斥的，A的等待其实就是主动放弃锁，B等待时还要提醒A放鸡蛋。
如何让线程主动释放锁
很简单，调用锁的wait()方法就好。wait方法是从Object来的，因此任意对象都有这个方法。看这个代码片断：

Java代码 

  1. Object lock=new Object();//声明了一个对象做为锁  
  2. synchronized (lock) {  
  3. balance = balance - num;  
  4. //这里放弃了同步锁，好不容易获得，又放弃了  
  5. lock.wait();  
  6. }  

 


若是一个线程得到了锁lock，进入了同步块，执行lock.wait()，那么这个线程会进入到lock的阻塞队列。若是调用lock.notify()则会通知阻塞队列的某个线程进入就绪队列。
声明一个盘子，只能放一个鸡蛋

Java代码 

  1. package com.jameswxx.synctest;  
  2. public class Plate{  
  3. List<Object> eggs=new ArrayList<Object>();  
  4. public synchronized  Object getEgg(){  
  5. if(eggs.size()==0){  
  6. try{  
  7. wait();  
  8. }catch(InterruptedException e){  
  9. }  
  10. }  
  12. Object egg=eggs.get(0);  
  13. eggs.clear();//清空盘子  
  14. notify();//唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列  
  15. return egg;  
  16. }  
  18. public synchronized  void putEgg(Object egg){  
  19. If(eggs.size()>0){  
  20. try{  
  21. wait();  
  22. }catch(InterruptedException e){  
  23. }  
  24. }  
  25. eggs.add(egg);//往盘子里放鸡蛋  
  26. notify();//唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列  
  27. }  
  28. }  

 


声明一个Plate对象为plate，被线程A和线程B共享，A专门放鸡蛋，B专门拿鸡蛋。假设
1 开始，A调用plate.putEgg方法，此时eggs.size()为0，所以顺利将鸡蛋放到盘子，还执行了notify()方法，唤醒锁的阻塞队列的线程，此时阻塞队列尚未线程。
2 又有一个A线程对象调用plate.putEgg方法，此时eggs.size()不为0，调用wait()方法，本身进入了锁对象的阻塞队列。
3 此时，来了一个B线程对象，调用plate.getEgg方法，eggs.size()不为0，顺利的拿到了一个鸡蛋，还执行了notify()方法，唤醒锁的阻塞队列的线程，此时阻塞队列有一个A线程对象，唤醒后，它进入到就绪队列，就绪队列也就它一个，所以立刻获得锁，开始往盘子里放鸡蛋，此时盘子是空的，所以放鸡蛋成功。
4 假设接着来了线程A，就重复2；假设来料线程B，就重复3。 
整个过程都保证了放鸡蛋，拿鸡蛋，放鸡蛋，拿鸡蛋。

 


volatile关键字 
       volatile是java提供的一种同步手段，只不过它是轻量级的同步，为何这么说，由于volatile只能保证多线程的内存可见性，不能保证多线程的执行有序性。而最完全的同步要保证有序性和可见性，例如synchronized。任何被volatile修饰的变量，都不拷贝副本到工做内存，任何修改都及时写在主存。所以对于Valatile修饰的变量的修改，全部线程立刻就能看到，可是volatile不能保证对变量的修改是有序的。什么意思呢？假若有这样的代码：

Java代码 

  1. public class VolatileTest{  
  2. public volatile int a;  
  3. public void add(int count){  
  4. a=a+count;  
  5. }  
  6. }  

 


        当一个VolatileTest对象被多个线程共享，a的值不必定是正确的，由于a=a+count包含了好几步操做，而此时多个线程的执行是无序的，由于没有任何机制来保证多个线程的执行有序性和原子性。volatile存在的意义是，任何线程对a的修改，都会立刻被其余线程读取到，由于直接操做主存，没有线程对工做内存和主存的同步。因此，volatile的使用场景是有限的，在有限的一些情形下可使用 volatile 变量替代锁。要使 volatile 变量提供理想的线程安全,必须同时知足下面两个条件:
1)对变量的写操做不依赖于当前值。
2)该变量没有包含在具备其余变量的不变式中 
volatile只保证了可见性，因此Volatile适合直接赋值的场景，如

Java代码 

  1. public class VolatileTest{  
  2. public volatile int a;  
  3. public void setA(int a){  
  4. this.a=a;  
  5. }  
  6. }  

 


在没有volatile声明时，多线程环境下，a的最终值不必定是正确的，由于this.a=a;涉及到给a赋值和将a同步回主存的步骤，这个顺序可能被打乱。若是用volatile声明了，读取主存副本到工做内存和同步a到主存的步骤，至关因而一个原子操做。因此简单来讲，volatile适合这种场景：一个变量被多个线程共享，线程直接给这个变量赋值。这是一种很简单的同步场景，这时候使用volatile的开销将会很是小。

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