java線程安全

時間 2019-11-11

標籤 java 線程安全欄目 Java 简体版

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淺談java內存模型
不一樣的平臺，內存模型是不同的，可是jvm的內存模型規範是統一的。其實java的多線程併發問題最終都會反映在java的內存模型上，所謂線程安全無非是要控制多個線程對某個資源的有序訪問或修改。總結java的內存模型，要解決兩個主要的問題：可見性和有序性。咱們都知道計算機有高速緩存的存在，處理器並非每次處理數據都是取內存的。JVM定義了本身的內存模型，屏蔽了底層平臺內存管理細節，對於java開發人員，要清楚在jvm內存模型的基礎上，若是解決多線程的可見性和有序性。
那麼，何謂可見性？多個線程之間是不能互相傳遞數據通訊的，它們之間的溝通只能經過共享變量來進行。Java內存模型（JMM）規定了jvm有主內存，主內存是多個線程共享的。（每條線程都有本身的工做內存(Working Memory)，工做內存中保存的是主存中某些變量的拷貝，線程對全部變量的操做都是在工做內存中進行，線程之間沒法相互直接訪問，變量傳遞均須要經過主存完成。）java

當new一個對象的時候，也是被分配在主內存中，每一個線程都有本身的工做內存，工做內存存儲了主存的某些對象的副本，固然線程的工做內存大小是有限制的。當線程操做某個對象時，執行順序以下：
(1) 從主存複製變量到當前工做內存 (read and load)
(2) 執行代碼，改變共享變量值 (use and assign)
(3) 用工做內存數據刷新主存相關內容 (store and write)web

JVM規範定義了線程對主存的操做指令：read，load，use，assign，store，write。當一個共享變量在多個線程的工做內存中都有副本時，若是一個線程修改了這個共享變量，那麼其餘線程應該可以看到這個被修改後的值，這就是多線程的可見性問題。
那麼，什麼是有序性呢？線程在引用變量時不能直接從主內存中引用,若是線程工做內存中沒有該變量,則會從主內存中拷貝一個副本到工做內存中,這個過程爲read-load,完成後線程會引用該副本。當同一線程再度引用該字段時,有可能從新從主存中獲取變量副本(read-load-use),也有可能直接引用原來的副本 (use),也就是說 read,load,use順序能夠由JVM實現系統決定。
線程不能直接爲主存中中字段賦值，它會將值指定給工做內存中的變量副本(assign),完成後這個變量副本會同步到主存儲區(store- write)，至於什麼時候同步過去，根據JVM實現系統決定.有該字段,則會從主內存中將該字段賦值到工做內存中,這個過程爲read-load,完成後線程會引用該變量副本，當同一線程屢次重複對字段賦值時,好比：緩存

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

線程有可能只對工做內存中的副本進行賦值,只到最後一次賦值後才同步到主存儲區，因此assign,store,weite順序能夠由JVM實現系統決定。假設有一個共享變量x，線程a執行x=x+1。從上面的描述中能夠知道x=x+1並非一個原子操做，它的執行過程以下：
1 從主存中讀取變量x副本到工做內存
2 給x加1
3 將x加1後的值寫回主存
若是另一個線程b執行x=x-1，執行過程以下：
1 從主存中讀取變量x副本到工做內存
2 給x減1
3 將x減1後的值寫回主存
那麼顯然，最終的x的值是不可靠的。假設x如今爲10，線程a加1，線程b減1，從表面上看，彷佛最終x仍是爲10，可是多線程狀況下會有這種狀況發生：
1：線程a從主存讀取x副本到工做內存，工做內存中x值爲10
2：線程b從主存讀取x副本到工做內存，工做內存中x值爲10
3：線程a將工做內存中x加1，工做內存中x值爲11
4：線程a將x提交主存中，主存中x爲11
5：線程b將工做內存中x值減1，工做內存中x值爲9
6：線程b將x提交到中主存中，主存中x爲9
一樣，x有可能爲11，若是x是一個銀行帳戶，線程a存款，線程b扣款，顯然這樣是有嚴重問題的，要解決這個問題，必須保證線程a和線程b是有序執行的，而且每一個線程執行的加1或減1是一個原子操做。看看下面代碼：安全

Java代碼多線程

public class Account {   
  
    private int balance;   
  
    public Account(int balance) {   
        this.balance = balance;   
    }   
  
    public int getBalance() {   
        return balance;   
    }   
  
    public void add(int num) {   
        balance = balance + num;   
    }   
  
    public void withdraw(int num) {   
        balance = balance - num;   
    }   
  
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {   
        Account account = new Account(1000);   
        Thread a = new Thread(new AddThread(account, 20), "add");   
        Thread b = new Thread(new WithdrawThread(account, 20), "withdraw");   
        a.start();   
        b.start();   
        a.join();   
        b.join();   
        System.out.println(account.getBalance());   
    }   
  
    static class AddThread implements Runnable {   
        Account account;   
        int     amount;   
  
        public AddThread(Account account, int amount) {   
            this.account = account;   
            this.amount = amount;   
        }   
  
        public void run() {   
            for (int i = 0; i < 200000; i++) {   
                account.add(amount);   
            }   
        }   
    }   
  
    static class WithdrawThread implements Runnable {   
        Account account;   
        int     amount;   
  
        public WithdrawThread(Account account, int amount) {   
            this.account = account;   
            this.amount = amount;   
        }   
  
        public void run() {   
            for (int i = 0; i < 100000; i++) {   
                account.withdraw(amount);   
            }   
        }   
    }   
}  
public class Account {
 
    private int balance;
 
    public Account(int balance) {
        this.balance = balance;
    }
 
    public int getBalance() {
        return balance;
    }
 
    public void add(int num) {
        balance = balance + num;
    }
 
    public void withdraw(int num) {
        balance = balance - num;
    }
 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Account account = new Account(1000);
        Thread a = new Thread(new AddThread(account, 20), "add");
        Thread b = new Thread(new WithdrawThread(account, 20), "withdraw");
        a.start();
        b.start();
        a.join();
        b.join();
        System.out.println(account.getBalance());
    }
 
    static class AddThread implements Runnable {
        Account account;
        int     amount;
 
        public AddThread(Account account, int amount) {
            this.account = account;
            this.amount = amount;
        }
 
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 200000; i++) {
                account.add(amount);
            }
        }
    }
 
    static class WithdrawThread implements Runnable {
        Account account;
        int     amount;
 
        public WithdrawThread(Account account, int amount) {
            this.account = account;
            this.amount = amount;
        }
 
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 100000; i++) {
                account.withdraw(amount);
            }
        }
    }
}

第一次執行結果爲10200，第二次執行結果爲1060，每次執行的結果都是不肯定的，由於線程的執行順序是不可預見的。這是java同步產生的根源，synchronized關鍵字保證了多個線程對於同步塊是互斥的，synchronized做爲一種同步手段，解決java多線程的執行有序性和內存可見性，而volatile關鍵字之解決多線程的內存可見性問題。後面將會詳細介紹。併發

synchronized關鍵字
上面說了，java用synchronized關鍵字作爲多線程併發環境的執行有序性的保證手段之一。當一段代碼會修改共享變量，這一段代碼成爲互斥區或臨界區，爲了保證共享變量的正確性，synchronized標示了臨界區。典型的用法以下：jvm

Java代碼測試

synchronized(鎖){   
     臨界區代碼   
}

爲了保證銀行帳戶的安全，能夠操做帳戶的方法以下：this

Java代碼 spa

public synchronized void add(int num) {   
     balance = balance + num;   
}   
public synchronized void withdraw(int num) {   
     balance = balance - num;   
}  
public synchronized void add(int num) {
     balance = balance + num;
}
public synchronized void withdraw(int num) {
     balance = balance - num;
}

對於public synchronized void add(int num)這種狀況，意味着什麼呢？其實這種狀況，鎖就是這個方法所在的對象。同理，若是方法是public static synchronized void add(int num)，那麼鎖就是這個方法所在的class。
理論上，每一個對象均可以作爲鎖，但一個對象作爲鎖時，應該被多個線程共享，這樣才顯得有意義，在併發環境下，一個沒有共享的對象做爲鎖是沒有意義的。假若有這樣的代碼：

public class ThreadTest{   
  public void test(){   
     Object lock=new Object();   
     synchronized (lock){   
        //do something   
     }   
  }   
}  
public class ThreadTest{
  public void test(){
     Object lock=new Object();
     synchronized (lock){
        //do something
     }
  }
}

lock變量做爲一個鎖存在根本沒有意義，由於它根本不是共享對象，每一個線程進來都會執行Object lock=new Object();每一個線程都有本身的lock，根本不存在鎖競爭。
        每一個鎖對象都有兩個隊列，一個是就緒隊列，一個是阻塞隊列，就緒隊列存儲了將要得到鎖的線程，阻塞隊列存儲了被阻塞的線程，當一個被線程被喚醒 (notify)後，纔會進入到就緒隊列，等待cpu的調度。當一開始線程a第一次執行account.add方法時，jvm會檢查鎖對象account 的就緒隊列是否已經有線程在等待，若是有則代表account的鎖已經被佔用了，因爲是第一次運行，account的就緒隊列爲空，因此線程a得到了鎖，執行account.add方法。若是剛好在這個時候，線程b要執行account.withdraw方法，由於線程a已經得到了鎖尚未釋放，因此線程 b要進入account的就緒隊列，等到獲得鎖後才能夠執行。
一個線程執行臨界區代碼過程以下：
1 得到同步鎖
2 清空工做內存
3 從主存拷貝變量副本到工做內存
4 對這些變量計算
5 將變量從工做內存寫回到主存
6 釋放鎖
可見，synchronized既保證了多線程的併發有序性，又保證了多線程的內存可見性。
生產者/消費者模式
        生產者/消費者模式實際上是一種很經典的線程同步模型，不少時候，並非光保證多個線程對某共享資源操做的互斥性就夠了，每每多個線程之間都是有協做的。
        假設有這樣一種狀況，有一個桌子，桌子上面有一個盤子，盤子裏只能放一顆雞蛋，A專門往盤子裏放雞蛋，若是盤子裏有雞蛋，則一直等到盤子裏沒雞蛋，B專門從盤子裏拿雞蛋，若是盤子裏沒雞蛋，則等待直到盤子裏有雞蛋。其實盤子就是一個互斥區，每次往盤子放雞蛋應該都是互斥的，A的等待其實就是主動放棄鎖，B 等待時還要提醒A放雞蛋。
如何讓線程主動釋放鎖
很簡單，調用鎖的wait()方法就好。wait方法是從Object來的，因此任意對象都有這個方法。看這個代碼片斷：

Object lock=new Object();//聲明瞭一個對象做爲鎖   
   synchronized (lock) {   
       balance = balance - num;   
       //這裏放棄了同步鎖，好不容易獲得，又放棄了   
       lock.wait();   
}  
Object lock=new Object();//聲明瞭一個對象做爲鎖
   synchronized (lock) {
       balance = balance - num;
       //這裏放棄了同步鎖，好不容易獲得，又放棄了
       lock.wait();
}

若是一個線程得到了鎖lock，進入了同步塊，執行lock.wait()，那麼這個線程會進入到lock的阻塞隊列。若是調用 lock.notify()則會通知阻塞隊列的某個線程進入就緒隊列。
聲明一個盤子，只能放一個雞蛋

import java.util.ArrayList;   
import java.util.List;   
  
public class Plate {   
  
    List<Object> eggs = new ArrayList<Object>();   
  
    public synchronized Object getEgg() {   
        while(eggs.size() == 0) {   
            try {   
                wait();   
            } catch (InterruptedException e) {   
            }   
        }   
  
        Object egg = eggs.get(0);   
        eggs.clear();// 清空盤子   
        notify();// 喚醒阻塞隊列的某線程到就緒隊列   
        System.out.println("拿到雞蛋");   
        return egg;   
    }   
  
    public synchronized void putEgg(Object egg) {   
        while(eggs.size() > 0) {   
            try {   
                wait();   
            } catch (InterruptedException e) {   
            }   
        }   
        eggs.add(egg);// 往盤子裏放雞蛋   
        notify();// 喚醒阻塞隊列的某線程到就緒隊列   
        System.out.println("放入雞蛋");   
    }   
       
    static class AddThread extends Thread{   
        private Plate plate;   
        private Object egg=new Object();   
        public AddThread(Plate plate){   
            this.plate=plate;   
        }   
           
        public void run(){   
            for(int i=0;i<5;i++){   
                plate.putEgg(egg);   
            }   
        }   
    }   
       
    static class GetThread extends Thread{   
        private Plate plate;   
        public GetThread(Plate plate){   
            this.plate=plate;   
        }   
           
        public void run(){   
            for(int i=0;i<5;i++){   
                plate.getEgg();   
            }   
        }   
    }   
       
    public static void main(String args[]){   
        try {   
            Plate plate=new Plate();   
            Thread add=new Thread(new AddThread(plate));   
            Thread get=new Thread(new GetThread(plate));   
            add.start();   
            get.start();   
            add.join();   
            get.join();   
        } catch (InterruptedException e) {   
            e.printStackTrace();   
        }   
        System.out.println("測試結束");   
    }   
}  
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
 
public class Plate {
 
    List<Object> eggs = new ArrayList<Object>();
 
    public synchronized Object getEgg() {
        while(eggs.size() == 0) {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
            }
        }
 
        Object egg = eggs.get(0);
        eggs.clear();// 清空盤子
        notify();// 喚醒阻塞隊列的某線程到就緒隊列
        System.out.println("拿到雞蛋");
        return egg;
    }
 
    public synchronized void putEgg(Object egg) {
        while(eggs.size() > 0) {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
            }
        }
        eggs.add(egg);// 往盤子裏放雞蛋
        notify();// 喚醒阻塞隊列的某線程到就緒隊列
        System.out.println("放入雞蛋");
    }
   
    static class AddThread extends Thread{
        private Plate plate;
        private Object egg=new Object();
        public AddThread(Plate plate){
            this.plate=plate;
        }
       
        public void run(){
            for(int i=0;i<5;i++){
                plate.putEgg(egg);
            }
        }
    }
   
    static class GetThread extends Thread{
        private Plate plate;
        public GetThread(Plate plate){
            this.plate=plate;
        }
       
        public void run(){
            for(int i=0;i<5;i++){
                plate.getEgg();
            }
        }
    }
   
    public static void main(String args[]){
        try {
            Plate plate=new Plate();
            Thread add=new Thread(new AddThread(plate));
            Thread get=new Thread(new GetThread(plate));
            add.start();
            get.start();
            add.join();
            get.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("測試結束");
    }
}

聲明一個Plate對象爲plate，被線程A和線程B共享，A專門放雞蛋，B專門拿雞蛋。假設
1 開始，A調用plate.putEgg方法，此時eggs.size()爲0，所以順利將雞蛋放到盤子，還執行了notify()方法，喚醒鎖的阻塞隊列的線程，此時阻塞隊列尚未線程。
2 又有一個A線程對象調用plate.putEgg方法，此時eggs.size()不爲0，調用wait()方法，本身進入了鎖對象的阻塞隊列。
3 此時，來了一個B線程對象，調用plate.getEgg方法，eggs.size()不爲0，順利的拿到了一個雞蛋，還執行了notify()方法，喚醒鎖的阻塞隊列的線程，此時阻塞隊列有一個A線程對象，喚醒後，它進入到就緒隊列，就緒隊列也就它一個，所以立刻獲得鎖，開始往盤子裏放雞蛋，此時盤子是空的，所以放雞蛋成功。
4 假設接着來了線程A，就重複2；假設來料線程B，就重複3。
整個過程都保證了放雞蛋，拿雞蛋，放雞蛋，拿雞蛋。

volatile關鍵字
volatile是java提供的一種同步手段，只不過它是輕量級的同步，爲何這麼說，由於volatile只能保證多線程的內存可見性，不能保證多線程的執行有序性。而最完全的同步要保證有序性和可見性，例如synchronized。任何被volatile修飾的變量，都不拷貝副本到工做內存，任何修改都及時寫在主存。所以對於Valatile修飾的變量的修改，全部線程立刻就能看到，可是volatile不能保證對變量的修改是有序的。什麼意思呢？假若有這樣的代碼：

public class VolatileTest{   
  public volatile int a;   
  public void add(int count){   
       a=a+count;   
  }   
}  
public class VolatileTest{
  public volatile int a;
  public void add(int count){
       a=a+count;
  }
}

當一個VolatileTest對象被多個線程共享，a的值不必定是正確的，由於a=a+count包含了好幾步操做，而此時多個線程的執行是無序的，由於沒有任何機制來保證多個線程的執行有序性和原子性。volatile存在的意義是，任何線程對a的修改，都會立刻被其餘線程讀取到，由於直接操做主存，沒有線程對工做內存和主存的同步。因此，volatile的使用場景是有限的，在有限的一些情形下可使用 volatile 變量替代鎖。要使 volatile 變量提供理想的線程安全,必須同時知足下面兩個條件:
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
volatile只保證了可見性，因此Volatile適合直接賦值的場景，如

public class VolatileTest{   
  public volatile int a;   
  public void setA(int a){   
      this.a=a;   
  }   
}  
public class VolatileTest{
  public volatile int a;
  public void setA(int a){
      this.a=a;
  }
}

在沒有volatile聲明時，多線程環境下，a的最終值不必定是正確的，由於this.a=a;涉及到給a賦值和將a同步回主存的步驟，這個順序可能被打亂。若是用volatile聲明瞭，讀取主存副本到工做內存和同步a到主存的步驟，至關因而一個原子操做。因此簡單來講，volatile適合這種場景：一個變量被多個線程共享，線程直接給這個變量賦值。這是一種很簡單的同步場景，這時候使用volatile的開銷將會很是小。