java线程安全-通俗易懂的讲解

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:readloaduseassignstorewrite。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:

Java代码 

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
x1
3
x1后的值写回主 
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
x1
3
x1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a1,线程b1,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x1,工作内存中x值为11
4
:线程ax提交主存中,主存中x11
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bx提交到中主存中,主存中x9 
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:

Java代码 

1. public class Account {  

2.   

3.     private int balance;  

4.   

5.     public Account(int balance) {  

6.         this.balance = balance;  

7.     }  

8.   

9.     public int getBalance() {  

10.        return balance;  

11.    }  

12.  

13.    public void add(int num) {  

14.        balance = balance + num;  

15.    }  

16.  

17.    public void withdraw(int num) {  

18.        balance = balance - num;  

19.    }  

20.  

21.    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  

22.        Account account = new Account(1000);  

23.        Thread a = new Thread(new AddThread(account, 20), "add");  

24.        Thread b = new Thread(new WithdrawThread(account, 20), "withdraw");  

25.        a.start();  

26.        b.start();  

27.        a.join();  

28.        b.join();  

29.        System.out.println(account.getBalance());  

30.    }  

31.  

32.    static class AddThread implements Runnable {  

33.        Account account;  

34.        int     amount;  

35.  

36.        public AddThread(Account account, int amount) {  

37.            this.account = account;  

38.            this.amount = amount;  

39.        }  

40.  

41.        public void run() {  

42.            for (int i = 0; i < 200000; i++) {  

43.                account.add(amount);  

44.            }  

45.        }  

46.    }  

47.  

48.    static class WithdrawThread implements Runnable {  

49.        Account account;  

50.        int     amount;  

51.  

52.        public WithdrawThread(Account account, int amount) {  

53.            this.account = account;  

54.            this.amount = amount;  

55.        }  

56.  

57.        public void run() {  

58.            for (int i = 0; i < 100000; i++) {  

59.                account.withdraw(amount);  

60.            }  

61.        }  

62.    }  

63.}  

 


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,javasynchronized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:

Java代码 

1. synchronized(){  

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:

Java代码 

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:

Java代码 

1. synchronized(){  

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:

Java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:

Java代码 

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

 

Java代码 

1. import java.util.ArrayList;  

2. import java.util.List;  

3.   

4. public class Plate {  

5.   

6.     List eggs = new ArrayList();  

7.   

8.     public synchronized Object getEgg() {  

9.         if (eggs.size() == 0) {  

10.            try {  

11.                wait();  

12.            } catch (InterruptedException e) {  

13.            }  

14.        }  

15.  

16.        Object egg = eggs.get(0);  

17.        eggs.clear();// 清空盘子  

18.        notify();// 唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列  

19.        System.out.println("拿到鸡蛋");  

20.        return egg;  

21.    }  

22.  

23.    public synchronized void putEgg(Object egg) {  

24.        if (eggs.size() > 0) {  

25.            try {  

26.                wait();  

27.            } catch (InterruptedException e) {  

28.            }  

29.        }  

30.        eggs.add(egg);// 往盘子里放鸡蛋  

31.        notify();// 唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列  

32.        System.out.println("放入鸡蛋");  

33.    }  

34.      

35.    static class AddThread extends Thread{  

36.        private Plate plate;  

37.        private Object egg=new Object();  

38.        public AddThread(Plate plate){  

39.            this.plate=plate;  

40.        }  

41.          

42.        public void run(){  

43.            for(int i=0;i<5;i++){  

44.                plate.putEgg(egg);  

45.            }  

46.        }  

47.    }  

48.      

49.    static class GetThread extends Thread{  

50.        private Plate plate;  

51.        public GetThread(Plate plate){  

52.            this.plate=plate;  

53.        }  

54.          

55.        public void run(){  

56.            for(int i=0;i<5;i++){  

57.                plate.getEgg();  

58.            }  

59.        }  

60.    }  

61.      

62.    public static void main(String args[]){  

63.        try {  

64.            Plate plate=new Plate();  

65.            Thread add=new Thread(new AddThread(plate));  

66.            Thread get=new Thread(new GetThread(plate));  

67.            add.start();  

68.            get.start();  

69.            add.join();  

70.            get.join();  

71.        } catch (InterruptedException e) {  

72.            e.printStackTrace();  

73.        }  

74.        System.out.println("测试结束");  

75.    }  

76.}  

  执行结果:

Html代码 

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()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
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:

Java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

Java代码 

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。

 


你可能感兴趣的:(java,线程)