Java线程安全总结(二)

男娘i 2022-06-12 10:18 185阅读 0赞

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：

for(int i=0;i<10;i++)  
     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：

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：

synchronized(锁){  
         临界区代码  
    }

为了保证银行账户的安全，可以操作账户的方法如下：

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

刚才不是说了synchronized的用法是这样的吗：

synchronized(锁){  
        临界区代码  
    }

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：

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

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：

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

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

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();// 清空盘子  
                notify();// 唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列  
                System.out.println("拿到鸡蛋");  
                return egg;  
            }  
          
            public synchronized void putEgg(Object egg) {  
                while(eggs.size() > 0) {  
                    try {  
                        wait();  
                    } catch (InterruptedException e) {  
                    }  
                }  
                eggs.add(egg);// 往盘子里放鸡蛋  
                notify();// 唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列  
                System.out.println("放入鸡蛋");  
            }  
              
            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("测试结束");  
            }  
        }

执行结果：

放入鸡蛋  
    拿到鸡蛋  
    放入鸡蛋  
    拿到鸡蛋  
    放入鸡蛋  
    拿到鸡蛋  
    放入鸡蛋  
    拿到鸡蛋  
    放入鸡蛋  
    拿到鸡蛋  
    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：

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

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

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

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。