線程安全究竟是什麼意思？

本文轉發自Jason’s Blog，原文連接　http://www.jasongj.com/java/thread_safe/

多線程編程中的三個核心概念

原子性

這一點，跟數據庫事務的原子性概念差很少，即一個操做（有可能包含有多個子操做）要麼所有執行（生效），要麼所有都不執行（都不生效）。

關於原子性，一個很是經典的例子就是銀行轉帳問題：好比A和B同時向C轉帳10萬元。若是轉帳操做不具備原子性，A在向C轉帳時，讀取了C的餘額爲20萬，而後加上轉帳的10萬，計算出此時應該有30萬，但還將來及將30萬寫回C的帳戶，此時B的轉帳請求過來了，B發現C的餘額爲20萬，而後將其加10萬並寫回。而後A的轉帳操做繼續——將30萬寫回C的餘額。這種狀況下C的最終餘額爲30萬，而非預期的40萬。

可見性

可見性是指，當多個線程併發訪問共享變量時，一個線程對共享變量的修改，其它線程可以當即看到。可見性問題是好多人忽略或者理解錯誤的一點。

CPU從主內存中讀數據的效率相對來講不高，如今主流的計算機中，都有幾級緩存。每一個線程讀取共享變量時，都會將該變量加載進其對應CPU的高速緩存裏，修改該變量後，CPU會當即更新該緩存，但並不必定會當即將其寫回主內存（實際上寫回主內存的時間不可預期）。此時其它線程（尤爲是不在同一個CPU上執行的線程）訪問該變量時，從主內存中讀到的就是舊的數據，而非第一個線程更新後的數據。

這一點是操做系統或者說是硬件層面的機制，因此不少應用開發人員常常會忽略。

順序性

順序性指的是，程序執行的順序按照代碼的前後順序執行。

如下面這段代碼爲例

boolean started = false; // 語句1
long counter = 0L; // 語句2
counter = 1; // 語句3
started = true; // 語句4

從代碼順序上看，上面四條語句應該依次執行，但實際上JVM真正在執行這段代碼時，並不保證它們必定徹底按照此順序執行。

處理器爲了提升程序總體的執行效率，可能會對代碼進行優化，其中的一項優化方式就是調整代碼順序，按照更高效的順序執行代碼。

講到這裏，有人要着急了——什麼，CPU不按照個人代碼順序執行代碼，那怎麼保證獲得咱們想要的效果呢？實際上，你們大可放心，CPU雖然並不保證徹底按照代碼順序執行，但它會保證程序最終的執行結果和代碼順序執行時的結果一致。

Java如何解決多線程併發問題

Java如何保證原子性

鎖和同步

經常使用的保證Java操做原子性的工具是鎖和同步方法（或者同步代碼塊）。使用鎖，能夠保證同一時間只有一個線程能拿到鎖，也就保證了同一時間只有一個線程能執行申請鎖和釋放鎖之間的代碼。

public void testLock () {
  lock.lock();
  try{
    int j = i;
    i = j + 1;
  } finally {
    lock.unlock();
  }
}

與鎖相似的是同步方法或者同步代碼塊。使用非靜態同步方法時，鎖住的是當前實例；使用靜態同步方法時，鎖住的是該類的Class對象；使用靜態代碼塊時，鎖住的是synchronized關鍵字後面括號內的對象。下面是同步代碼塊示例

public void testLock () {
  synchronized (anyObject){
    int j = i;
    i = j + 1;
  }
}

不管使用鎖仍是synchronized，本質都是同樣，經過鎖來實現資源的排它性，從而實際目標代碼段同一時間只會被一個線程執行，進而保證了目標代碼段的原子性。這是一種以犧牲性能爲代價的方法。

CAS（compare and swap）

基礎類型變量自增（i++）是一種常被新手誤覺得是原子操做而實際不是的操做。Java中提供了對應的原子操做類來實現該操做，並保證原子性，其本質是利用了CPU級別的CAS指令。因爲是CPU級別的指令，其開銷比須要操做系統參與的鎖的開銷小。AtomicInteger使用方法以下。

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
for(int b = 0; b < numThreads; b++) {
  new Thread(() -> {
    for(int a = 0; a < iteration; a++) {
      atomicInteger.incrementAndGet();
    }
  }).start();
}

Java如何保證可見性

Java提供了volatile關鍵字來保證可見性。當使用volatile修飾某個變量時，它會保證對該變量的修改會當即被更新到內存中，而且將其它緩存中對該變量的緩存設置成無效，所以其它線程須要讀取該值時必須從主內存中讀取，從而獲得最新的值。

Java如何保證順序性

上文講過編譯器和處理器對指令進行從新排序時，會保證從新排序後的執行結果和代碼順序執行的結果一致，因此從新排序過程並不會影響單線程程序的執行，卻可能影響多線程程序併發執行的正確性。

Java中可經過volatile在必定程序上保證順序性，另外還能夠經過synchronized和鎖來保證順序性。

synchronized和鎖保證順序性的原理和保證原子性同樣，都是經過保證同一時間只會有一個線程執行目標代碼段來實現的。

除了從應用層面保證目標代碼段執行的順序性外，JVM還經過被稱爲happens-before原則隱式的保證順序性。兩個操做的執行順序只要能夠經過happens-before推導出來，則JVM會保證其順序性，反之JVM對其順序性不做任何保證，可對其進行任意必要的從新排序以獲取高效率。

happens-before原則（先行發生原則）

• 傳遞規則：若是操做1在操做2前面，而操做2在操做3前面，則操做1確定會在操做3前發生。該規則說明了happens-before原則具備傳遞性
• 鎖定規則：一個unlock操做確定會在後面對同一個鎖的lock操做前發生。這個很好理解，鎖只有被釋放了纔會被再次獲取
• volatile變量規則：對一個被volatile修飾的寫操做先發生於後面對該變量的讀操做
• 程序次序規則：一個線程內，按照代碼順序執行
• 線程啓動規則：Thread對象的start()方法先發生於此線程的其它動做
• 線程終結原則：線程的終止檢測後發生於線程中其它的全部操做
• 線程中斷規則： 對線程interrupt()方法的調用先發生於對該中斷異常的獲取
• 對象終結規則：一個對象構造先於它的finalize發生

volatile適用場景

volatile適用於不須要保證原子性，但卻須要保證可見性的場景。一種典型的使用場景是用它修飾用於中止線程的狀態標記。以下所示

boolean isRunning = false;

public void start () {
  new Thread( () -> {
    while(isRunning) {
      someOperation();
    }
  }).start();
}

public void stop () {
  isRunning = false;
}

在這種實現方式下，即便其它線程經過調用stop()方法將isRunning設置爲false，循環也不必定會當即結束。能夠經過volatile關鍵字，保證while循環及時獲得isRunning最新的狀態從而及時中止循環，結束線程。

線程安全十萬個爲何

問：平時項目中使用鎖和synchronized比較多，而不多使用volatile，難道就沒有保證可見性？
答：鎖和synchronized便可以保證原子性，也能夠保證可見性。都是經過保證同一時間只有一個線程執行目標代碼段來實現的。

 

問：鎖和synchronized爲什麼能保證可見性？
答：根據JDK 7的Java doc中對concurrent包的說明，一個線程的寫結果保證對另外線程的讀操做可見，只要該寫操做能夠由happen-before原則推斷出在讀操做以前發生。

 

The results of a write by one thread are guaranteed to be visible to a read by another thread only if the write operation happens-before the read operation. The synchronized and volatile constructs, as well as the Thread.start() and Thread.join() methods, can form happens-before relationships.

問：既然鎖和synchronized便可保證原子性也可保證可見性，爲什麼還須要volatile？
答：synchronized和鎖須要經過操做系統來仲裁誰得到鎖，開銷比較高，而volatile開銷小不少。所以在只須要保證可見性的條件下，使用volatile的性能要比使用鎖和synchronized高得多。

問：既然鎖和synchronized能夠保證原子性，爲何還須要AtomicInteger這種的類來保證原子操做？
答：鎖和synchronized須要經過操做系統來仲裁誰得到鎖，開銷比較高，而AtomicInteger是經過CPU級的CAS操做來保證原子性，開銷比較小。因此使用AtomicInteger的目的仍是爲了提升性能。

問：還有沒有別的辦法保證線程安全
答：有。儘量避免引發非線程安全的條件——共享變量。若是能從設計上避免共享變量的使用，便可避免非線程安全的發生，也就無須經過鎖或者synchronized以及volatile解決原子性、可見性和順序性的問題。

問：synchronized便可修飾非靜態方式，也可修飾靜態方法，還可修飾代碼塊，有何區別
答：synchronized修飾非靜態同步方法時，鎖住的是當前實例；synchronized修飾靜態同步方法時，鎖住的是該類的Class對象；synchronized修飾靜態代碼塊時，鎖住的是synchronized關鍵字後面括號內的對象。