如何解決多線程併發問題

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。

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();
  }
}
複製代碼

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;
  }
}
複製代碼

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。

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原則隱式地保證順序性。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。適合用於單線程寫，多線程讀數據的場合。另外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;
}
複製代碼

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。

synchronized和volatile比較

關鍵字volatile是線程同步的輕量級實現，因此volatile性能確定比synchronized要好，而且volatile只能修飾變量，而synchronized能夠修飾方法，以及代碼塊。

多線程訪問volatile不會發生堵塞，而synchronized可能會出現堵塞。

volatile保證數據的可見性，但不能保證原子性；而synchronized能夠保證原子性，也能夠間接保證可見性，由於它會將私有內存和公共內存中的數據作了同步。

關鍵字volatile解決的是變量在多個線程之間的可見性；而synchronized關鍵字解決的是多個線程之間訪問資源的同步性。

synchronized關鍵字是防止多個線程同時執行一段代碼，那麼就會很影響程序執行效率，而volatile關鍵字在某些狀況下性能要優於synchronized，可是要注意volatile關鍵字是沒法替代synchronized關鍵字的，由於volatile關鍵字沒法保證操做的原子性。

一般來講，使用volatile必須具有如下2個條件：

1）對變量的寫操做不依賴於當前值。

2）該變量沒有包含在具備其餘變量的不變式中。