線程安全&Java內存模型

目錄

• Java內存模型
• 關於線程安全
• Volatile關鍵字
• Synchronized關鍵字
• 鎖的分類
  • 輕量級鎖&重量級鎖
  • 可重入鎖&不可重入鎖
  • 讀寫鎖
  • 樂觀鎖與悲觀鎖
    • 樂觀鎖（適合多讀場景）
    • 悲觀鎖（適合多寫場景）
  • CAS無鎖機制

Java內存模型

Java內存模型(JMM)主要目標是定義多線程的狀況下線程訪問變量的規則。

JMM規定線程之間的共享變量存儲在主內存中，每一個線程都有一個本地內存（工做內存），本地內存存儲了共享變量的副本。

關於線程安全

• 什麼是線程安全問題？

  當多個線程同時共享同一個全局變量作寫的操做時候，可能會受到其餘線程的干擾，致使數據髒讀。（數據一致性問題）

• 如何解決線程安全問題？

  核心思想：在同一時刻，只能有一個線程執行。

  經過加鎖使線程更加安全，也使程序的執行效率更低。

• 衡量線程安全的3個要素：

  • 原子性：一個操做或者多個操做要麼所有執行，要麼都不執行
  • 可見性：多個線程訪問同一變量，一個線程修改了變量的值，其餘線程能夠當即看到修改的值
  • 有序性：程序按照代碼的順序前後執行（與指令重排有關）

Volatile關鍵字

volatile是一種輕量級的同步機制，能夠保證可見性【及時將修改的變量刷新到主內存中】，但不能保證原子性，而且禁止重排序。

volatile在多線程下的適用場景：一寫多讀

volatile如何保證內存可見性？

當一個線程對volatile修飾的變量進行寫操做時，該線程中的本地內存的變量會被馬上刷新到主內存中。

當一個線程對volatile修飾的變量進行讀操做時，該線程直接讀取主內存的變量。

volatile可否保證線程安全？

不能，保證線程安全須要同時具有原子性，可見性和有序性。而volatile只能保證可見性和有序性，沒法保證原子性。

Synchronized關鍵字

核心思想：在多線程執行同一個方法時，只有獲取到鎖，才能進入方法裏面執行

使用方式：

• 修飾一個類：其做用的範圍是synchronized後面括號括起來的部分，做用的對象是這個類的全部對象；
• 修飾一個方法：被修飾的方法稱爲同步方法，其做用的範圍是整個方法，做用的對象是調用這個方法的對象；
• 修飾一個靜態的方法：其做用的範圍是整個方法，做用的對象是這個類的全部對象；
• 修飾一個代碼塊：被修飾的代碼塊稱爲同步語句塊，其做用範圍是大括號{}括起來的代碼塊，做用的對象是調用這個代碼塊的對象；

鎖的分類

輕量級鎖&重量級鎖

輕量級鎖：手動上鎖解鎖，擴展性強。表明：Lock

重量級鎖：自動上鎖解鎖，封裝程度高。表明：Synchronized

可重入鎖&不可重入鎖

可重入鎖（遞歸鎖）：當一個線程已經獲取到鎖後，再次請求該鎖，就可直接獲取。（鎖的傳遞，鎖的嵌套）表明：Synchronized，Lock

鎖的可重入性避免了大部分死鎖狀況的產生

不可重入鎖：不具有傳遞性

讀寫鎖

ReentrantReadWriteLock

相對Synchronized效率更高，但在多線程狀況下，只支持讀讀共存，不支持讀寫，寫寫。

樂觀鎖與悲觀鎖

樂觀鎖（適合多讀場景）

• 思想：認爲不會發生線程衝突（本質上是沒有鎖的）

• 執行流程，先讀取數據，而後在更新前檢查在讀取至更新這段時間數據是否被修改

  • 未修改：直接更新數據
  • 已修改：從新讀取，再次提交更新（或者放棄操做）

爲何樂觀鎖適合多讀場景？

樂觀鎖是一種更新前的檢查機制，相對於悲觀鎖來講在多讀場景下能夠減小鎖的性能開銷，對於多寫場景，樂觀鎖會一直進入已修改，從新讀取，再次提交的循環，反而帶來更多的資源消耗。

悲觀鎖（適合多寫場景）

• 思想：認爲必定會發生線程衝突

• 執行流程：讀取數據的時候上鎖（其餘用戶沒法讀取），直到本次數據更新完成纔會釋放鎖。在多寫場景下，能保證較高的數據一致性。

【總的來講，樂觀鎖回滾重試，悲觀鎖阻塞事務】

CAS無鎖機制

原子類：AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong，AtomicReference可保證線程安全，底層使用CAS無鎖機制

CAS：Compare and Swap，比較再交換，屬於樂觀鎖的一種

• CAS原理

  CAS包含3個參數，CAS（V，E，N），V：主內存的變量值，E：本地內存修改前的值，N：本地內存修改後的值

  比較主內存的值和本地內存修改前的值是否一致，若一致，將修改後的值刷新到主內存，若不一致，當前線程放棄更新，將主內存數據刷新到本地內存，再次重試。

• 優勢：非阻塞，不會發生死鎖狀況，效率更高

• 缺點：ABA問題（能夠經過加入版本號來區分變量是否被修改）