java线程安全总结 - 1 （转载）

时间：2023-06-02 14:19:20

原文地址：http://www.jameswxx.com/java/java%E7%BA%BF%E7%A8%8B%E5%AE%89%E5%85%A8%E6%80%BB%E7%BB%93/

最近想将java基础的一些东西都整理整理，写下来，这是对知识的总结，也是一种乐趣。已经拟好了提纲，大概分为这几个主题： java线程安全，java垃圾收集，java并发包详细介绍，java profile和jvm性能调优 。慢慢写吧。本人jameswxx原创文章，转载请注明出处，我费了很多心血，多谢了。关于java线 程安全，网上有很多资料，我只想从自己的角度总结对这方面的考虑，有时候写东西是很痛苦的，知道一些东西，但想用文字说清楚，却不是那么容易。我认为要认 识java线程安全，必须了解两个主要的点：java的内存模型，java的线程同步机制。特别是内存模型，java的线程同步机制很大程度上都是基于内 存模型而设定的。后面我还会写java并发包的文章，详细总结如何利用java并发包编写高效安全的多线程并发程序。暂时写得比较仓促，后面会慢慢补充完 善。

浅谈java内存模型 
       不同的平台，内存模型是不一样的，但是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。我们都知道计算机有高速缓存的存在，处 理器并不是每次处理数据都是取内存的。JVM定义了自己的内存模型，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，如果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信的，它们之间的沟通只能通过共享变量来进行。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，每个线程都有自己的工作内存，工作内存存储了主存的某些对象的副本，当然线程的工作内存大小是有限制 的。当线程操作某个对象时，执行顺序如下：
 (1) 从主存复制变量到当前工作内存 (read and load)
 (2) 执行代码，改变共享变量值 (use and assign)
 (3) 用工作内存数据刷新主存相关内容 (store and write)

JVM规范定义了线程对主存的操作指 令：read，load，use，assign，store，write。当一个共享变量在多个线程的工作内存中都有副本时，如果一个线程修改了这个共享 变量，那么其他线程应该能够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,如果线程工作内存中没有该变量,则会从主内存中拷贝一个副本到工作内存中,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,有可能重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顺序可以由JVM实现系统决定。
        线程不能直接为主存中中字段赋值，它会将值指定给工作内存中的变量副本(assign),完成后这个变量副本会同步到主存储区(store- write)，至于何时同步过去，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作内存中,这个过程为read-load,完成后线 程会引用该变量副本，当同一线程多次重复对字段赋值时,比如：

  1. for(int i=0;i<10;i++)
  2. a++;

线程有可能只对工作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，所以assign,store,weite顺序可以由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。从上面的描述中可以知道x=x+1并不是一个原子操作，它的执行过程如下：
1 从主存中读取变量x副本到工作内存
2 给x加1
3 将x加1后的值写回主 存
如果另外一个线程b执行x=x-1，执行过程如下：
1 从主存中读取变量x副本到工作内存
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现在为10，线程a加1，线程b减1，从表面上看，似乎最终x还是为10，但是多线程情况下会有这种情况发生：
1：线程a从主存读取x副本到工作内存，工作内存中x值为10
2：线程b从主存读取x副本到工作内存，工作内存中x值为10
3：线程a将工作内存中x加1，工作内存中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将工作内存中x值减1，工作内存中x值为9
6：线程b将x提交到中主存中，主存中x为9 
同样，x有可能为11，如果x是一个银行账户，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， 并且每个线程执行的加1或减1是一个原子操作。看看下面代码：

  1. public class Account {
  2. private int balance;
  3. public Account(int balance) {
  4. this.balance = balance;
  5. }
  6. public int getBalance() {
  7. return balance;
  8. }
  9. public void add(int num) {
  10. balance = balance + num;
  11. }
  12. public void withdraw(int num) {
  13. balance = balance - num;
  14. }
  15. public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  16. Account account = new Account(1000);
  17. Thread a = new Thread(new AddThread(account, 20), "add");
  18. Thread b = new Thread(new WithdrawThread(account, 20), "withdraw");
  19. a.start();
  20. b.start();
  21. a.join();
  22. b.join();
  23. System.out.println(account.getBalance());
  24. }
  25. static class AddThread implements Runnable {
  26. Account account;
  27. int     amount;
  28. public AddThread(Account account, int amount) {
  29. this.account = account;
  30. this.amount = amount;
  31. }
  32. public void run() {
  33. for (int i = 0; i < 200000; i++) {
  34. account.add(amount);
  35. }
  36. }
  37. }
  38. static class WithdrawThread implements Runnable {
  39. Account account;
  40. int     amount;
  41. public WithdrawThread(Account account, int amount) {
  42. this.account = account;
  43. this.amount = amount;
  44. }
  45. public void run() {
  46. for (int i = 0; i < 100000; i++) {
  47. account.withdraw(amount);
  48. }
  49. }
  50. }
  51. }

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确定的，因为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作为一种同步手段，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。

synchronized关键 字 
        上面说了，java用synchronized关键字做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。典型的用法如下：

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

为了保证银行账户的安全，可以操作账户的方法如下：

  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：

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

那么对于public synchronized void add(int num)这种情况，意味着什么呢？其实这种情况，锁就是这个方法所在的对象。同理，如果方法是public  static synchronized void add(int num)，那么锁就是这个方法所在的class。
        理论上，每个对象都可以做为锁，但一个对象做为锁时，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作为锁是没有意义的。假如 有这样的代码：

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

lock变量作为一个锁存在根本没有意义，因为它根本不是共享对象，每个线程进来都会执行Object lock=new Object();每个线程都有自己的lock，根本不存在锁竞争。
        每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获得锁的线程，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，如果有则表明account的锁已经被占用了，由于是第一次运行，account的就绪队列为空，所以线程a获得了锁， 执行account.add方法。如果恰好在这个时候，线程b要执行account.withdraw方法，因为线程a已经获得了锁还没有释放，所以线程 b要进入account的就绪队列，等到得到锁后才可以执行。
一个线程执行临界区代码过程如下：
1 获得同步锁
2 清空工作内存
3 从主存拷贝变量副本到工作内存
4 对这些变量计算
5 将变量从工作内存写回到主存
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/消费者模式其实是一种很经典的线程同步模型，很多时候，并不是光保证多个线程对某共享资源操作的互斥性就够了，往往多个线程之间都是有协作的。
        假设有这样一种情况，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，如果盘子里有鸡蛋，则一直等到盘子里没鸡蛋，B专门 从盘子里拿鸡蛋，如果盘子里没鸡蛋，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，所以任意对象都有这个方法。看这个代码片段：

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

如果一个线程获得了锁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。如果调用 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

  1. import java.util.ArrayList;
  2. import java.util.List;
  3. public class Plate {
  4. List<Object> eggs = new ArrayList<Object>();
  5. public synchronized Object getEgg() {
  6. while(eggs.size() == 0) {
  7. try {
  8. wait();
  9. } catch (InterruptedException e) {
  10. }
  11. }
  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. System.out.println("拿到鸡蛋");
  16. return egg;
  17. }
  18. public synchronized void putEgg(Object egg) {
  19. while(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. System.out.println("放入鸡蛋");
  28. }
  29. static class AddThread extends Thread{
  30. private Plate plate;
  31. private Object egg=new Object();
  32. public AddThread(Plate plate){
  33. this.plate=plate;
  34. }
  35. public void run(){
  36. for(int i=0;i<5;i++){
  37. plate.putEgg(egg);
  38. }
  39. }
  40. }
  41. static class GetThread extends Thread{
  42. private Plate plate;
  43. public GetThread(Plate plate){
  44. this.plate=plate;
  45. }
  46. public void run(){
  47. for(int i=0;i<5;i++){
  48. plate.getEgg();
  49. }
  50. }
  51. }
  52. public static void main(String args[]){
  53. try {
  54. Plate plate=new Plate();
  55. Thread add=new Thread(new AddThread(plate));
  56. Thread get=new Thread(new GetThread(plate));
  57. add.start();
  58. get.start();
  59. add.join();
  60. get.join();
  61. } catch (InterruptedException e) {
  62. e.printStackTrace();
  63. }
  64. System.out.println("测试结束");
  65. }
  66. }

执行结果：

  1. 放入鸡蛋
  2. 拿到鸡蛋
  3. 放入鸡蛋
  4. 拿到鸡蛋
  5. 放入鸡蛋
  6. 拿到鸡蛋
  7. 放入鸡蛋
  8. 拿到鸡蛋
  9. 放入鸡蛋
  10. 拿到鸡蛋
  11. 测试结束

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，因此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，此时阻塞队列还没有线程。
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，自己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，因此马上得到锁，开始往盘子里放鸡蛋，此时盘子是 空的，因此放鸡蛋成功。
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，为什么这么说，因为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。而最彻底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，都不拷贝副本到工作内存，任何 修改都及时写在主存。因此对于Valatile修饰的变量的修改，所有线程马上就能看到，但是volatile不能保证对变量的修改是有序的。什么意思 呢？假如有这样的代码：

  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的值不一定是正确的，因为a=a+count包含了好几步操作，而此时多个线程的执行是无序的，因 为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，都会马上被其他线程读取到，因为直接操作主存， 没有线程对工作内存和主存的同步。所以，volatile的使用场景是有限的，在有限的一些情形下可以使用 volatile 变量替代锁。要使 volatile 变量提供理想的线程安全,必须同时满足下面两个条件:
1)对 变量的写操作不依赖于当前值。
2)该变量没有包含在具有其他变量的不变式中 
volatile只保证了可见性，所以Volatile适合直接赋值的场景，如

  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的最终值不一定是正确的，因为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。如果用volatile声明了，读取主存副本到工作内存和同步a到主存的步骤，相当于是一个原子操作。所以简单来说，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的开销将会非常小。

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