JAVA线程安全机制

前言

      在进行java线程安全机制讲解之前，先谈谈java线程和java内存模型的基础知识。

一、线程与内存交互操作

     所有的变量（实例字段，静态字段，构成数组对象的元素，不包括局部变量和方法参数）都存储在主内存中，每个线程有自己的工作内存，线程的工作内存保存被线程使用到变量的主内存副本拷贝。线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存的变量。不同线程之间也不能直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值的传递通过主内存来完成。

Java内存模型定义了八种操作：

• lock(锁定)：作用于主内存的变量，它把一个变量标识为一个线程独占的状态；
• unlock(解锁)：作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定；
• read(读取)：作用于主内存的变量，它把一个变量的值从主内存传送到线程中的工作内存，以便随后的load动作使用；
• load(载入)：作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中；
• use(使用)：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎；
• assign(赋值)：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存中的变量；
• store(存储)：作用于工作内存的变量，它把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write操作；
• write(写入)：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值写入主内存的变量中。

volatile关键字作用：

1）保证了新值能立即存储到主内存，每次使用前立即从主内存中刷新。
2）禁止指令重排序优化。
注：volatile关键字不能保证在多线程环境下对共享数据的操作的正确性。可以使用在自己状态改变之后需要立即通知所有线程的情况下。

二、并发的三个特性

原子性

原子性是指不可再分的最小操作指令，即单条机器指令，原子性操作任意时刻只能有一个线程，因此是线程安全的。

1:Java内存模型中通过read、load、assign、use、store和write这6个操作保证变量的原子性操作。

2: long和double这两个64位长度的数据类型java虚拟机并没有强制规定他们的read、load、store和write操作的原子性，即所谓的非原子性协定，但是目前的各种商业java虚拟机都把long和double数据类型的4中非原子性协定操作实现为原子性。所以java中基本数据类型的访问读写是原子性操作。 

3: 对于大范围的原子性保证需要通过lock和unlock操作以及synchronized同步块来保证。

可见性

可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程可以立即得知这个修改。

Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值来实现可见性的。

Java中通过volatile、final和synchronized这三个关键字保证可见性：

1： volatile：通过刷新变量值确保可见性 。

2：synchronized：同步块通过变量lock锁定前必须清空工作内存中变量值，重新从主内存中读取变量值，unlock解锁前必须把变量值同步回主内存来确保可见性。

3： final：被final修饰的字段在构造器中一旦被初始化完成，并且构造器没有把this引用传递进去，那么在其他线程中就能看见final字段的值，无需同步就可以被其他线程正确访问。

有序性

线程的有序性是指：在线程内部，所有的操作都是有序执行的，而在线程之间，因为工作内存和主内存同步的延迟，操作是乱序执行的。 Java通过volatile和synchronized关键字确保线程之间操作的有序性。

1： volatile禁止指令重排序优化实现有序性。

2：synchronized通过一个变量在同一时刻只允许一个线程对其进行lock锁定操作来确保有序性。

--------------------------------------------------------------华丽的分割线------------------------------------------------------------

     熟悉了java线程和java内存模型的基础知识后。我们来谈谈Java多线程环境下,可能会出现的问题(线程不安全)以及相应的解决措施。主要是以下几块知识：

1. 为什么需要多线程(多线程的优势)

2. 多线程带来的问题—线程安全

3. 产生线程不安全的原因

4. 有哪些方法能解决线程不安全

------系好安全带-------

一：为什么需要多线程？

       线程是Java语言中不可或缺的重要部分，它们能使复杂的异步代码变得简单，简化复杂系统的开发；能充分发挥多处理器系统的强大计算能力。

(1) 优点

1. 充分利用硬件资源。由于线程是cpu的基本调度单位，所以如果是单线程，那么最多只能同时在一个处理器上运行，意味着其他的CPU资源都将被浪费。而多线程可以同时在多个处理器上运行，只要各个线程间的通信设计正确，那么多线程将能充分利用处理器的资源。

2. 结构优雅。多线程程序能将代码量巨大，复杂的程序分成一个个简单的功能模块，每块实现复杂程序的一部分单一功能，这将会使得程序的建模，测试更加方便，结构更加清晰，更加优雅。

3. 简化异步处理。为了避免阻塞，单线程应用程序必须使用非阻塞I/O,这样的I/O复杂性远远高于同步I/O，并且容易出错。

(2) 缺点

1. 线程安全：由于统一进程下的多个线程是共享同样的地址空间和数据的，又由于线程执行顺序的不可预知性，一个线程可能会修改其他线程正在使用的变量，这一方面是给数据共享带来了便利；另一方面，如果处理不当，会产生脏读，幻读等问题，好在Java提供了一系列的同步机制来帮助解决这一问题，例如内置锁。

2. 活跃性问题。可能会发生长时间的等待锁，甚至是死锁。

3. 性能问题。 线程的频繁调度切换会浪费资源，同步机制会导致内存缓冲区的数据无效，以及增加同步流量。

二：线程安全

(1) 定义：当多个线程访问某个类时，不管运行时环境采用何种调度方式或者这些线程将如何交替运行，并且在主调试代码中不需要任何额外的同步或者协同，这个类都能表现出正确的行为，则称这个类时线程安全的。线程安全类中封装了必要的同步机制，因此客户端无须进一步采取同步措施。

(2) 线程安全产生的原因：正确性取决于多个线程的交替执行时序，产生了竞态条件。

(3) 原子类： 应尽量使用原子类，这样会让你分析线程安全时更加方便，但需要注意的是用线程安全类构建的类并不能保证线程安全。例如，一个AtomicInteger get() 和 AtomicInteger set() 是线程安全的，在一个类的一个方法 f()中同时用到了这两个方法，此时的f()就是线程不安全的，因为你不能保证这个复合操作中的get 和 set同时更新。  

三：解决机制

1. 加锁。

(1) 锁能使其保护的代码以串行的形式来访问，当给一个复合操作加锁后，能使其成为原子操作。一种错误的思想是只要对写数据的方法加锁，其实这是错的，对数据进行操作的所有方法都需加锁，不管是读还是写。

(2) 加锁时需要考虑性能问题，不能总是一味地给整个方法加锁synchronized就了事了，应该将方法中不影响共享状态且执行时间比较长的代码分离出去。

(3) 加锁的含义不仅仅局限于互斥，还包括可见性。为了确保所有线程都能看见最新值，读操作和写操作必须使用同样的锁对象。

2. 不共享状态

(1) 无状态对象： 无状态对象一定是线程安全的，因为不会影响到其他线程。

(2) 线程关闭： 仅在单线程环境下使用。

3. 不可变对象

可以使用final修饰的对象保证线程安全，由于final修饰的引用型变量(除String外)不可变是指引用不可变，但其指向的对象是可变的，所以此类必须安全发布，也即不能对外提供可以修改final对象的接口。