同步机制解决多线程带来的线程安全问题

线程安全

多线程主要是为了提高我们应用程序的使用率。但同时，这会给我们带来很多安全问题！

线程安全问题发生的条件：

• 多线程环境下，即存在包括自己在内的索格线程
• 多线程环境下存在共享资源，且多线程操作共享资源
• 多个线程必须对该共享资源有非原子性操作

换个角度来看，如果状态不是共享的，或者不是可修改的，也就不存在线程安全问题，进而可以推理出保证线程安全的办法：

• 封装：加锁操作，我们可以将对象内部状态隐藏、保护起来
• 不可变：尽量不使用共享变量，将不必要的共享变量变成局部变量来使用，final 和 immutable 修饰
• 使用ThreadLocal为每一个线程建立一个变量的副本，各个线程间独立操作，互不影响

线程安全需要保证几个基本特性：

• 原子性：相关操作不会中途被其他线程干扰，一般通过同步机制实现
• 可见性：是一个线程修改了某个共享变量，其状态能够立即被其他线程知晓，通常被解释为将线程本地状态反映到主内存上，volatile 就是保证可见性的
• 有序性：是保证线程内串行语义，避免指令重排等

线程同步

当多个线程同时运行时，线程的调度由操作系统决定，程序本身无法决定。因此，任何一个线程都有可能在任何指令处被操作系统暂停，然后在某个时间段后继续执行

这个时候，有个单线程模型下不存在的问题就来了：如果多个线程同时读写共享变量，会出现数据不一致的问题
举个栗子：

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Thread add = new AddThread();
        Thread dec = new DecThread();
        add.start();
        dec.start();
        add.join();
        dec.join();
        System.out.println(Counter.count);
    }
}

class Counter {
    public static int count = 0;
}

class AddThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i=0; i<10000; i++) { Counter.count += 1; }
    }
}

class DecThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i=0; i<10000; i++) { Counter.count -= 1; }
    }
}

上面的代码两个线程同时对一个int变量进行操作，一个加10000次，一个减10000次，最后结果应该是0，但是，每次运行，结果实际上都是不一样的。

这是因为对变量进行读取和写入时，结果要正确，必须保证是原子操作。原子操作是指不能被中断的一个或一系列操作

例如，对于语句 n = n + 1，看上去是一行语句，实际上对应了 3 条指令：

ILOAD
IADD
ISTORE

我们假设n的值是100，如果两个线程同时执行n = n + 1，得到的结果很可能不是102，而是101，原因在于：

如果线程1在执行ILOAD后被操作系统中断，此刻如果线程2被调度执行，它执行ILOAD后获取的值仍然是100，最终结果被两个线程的ISTORE写入后变成了101，而不是期待的102。

这说明多线程模型下，要保证逻辑正确，对共享变量进行读写时，必须保证一组指令以原子方式执行：即某一个线程执行时，其他线程必须等待：

通过加锁和解锁的操作，就能保证3条指令总是在一个线程执行期间，不会有其他线程会进入此指令区间。即使在执行期线程被操作系统中断执行，其他线程也会因为无法获得锁导致无法进入此指令区间。只有执行线程将锁释放后，其他线程才有机会获得锁并执行。这种加锁和解锁之间的代码块我们称之为临界区（Critical Section），任何时候临界区最多只有一个线程能执行。

Java 内建的同步机制-synchronized

可见，保证一段代码的原子性就是通过加锁和解锁实现的。Java程序使用synchronized关键字对一个对象进行加锁：

synchronized(lock) {
    n = n + 1;
}

synchronized保证了代码块在任意时刻最多只有一个线程能执行。我们把上面的代码用synchronized改写如下：

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Thread add = new AddThread();
        Thread dec = new DecThread();
        add.start();
        dec.start();
        add.join();
        dec.join();
        System.out.println(Counter.count);
    }
}

class Counter {
    public static final Object lock = new Object();
    public static int count = 0;
}

class AddThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i=0; i<10000; i++) {
            synchronized(Counter.lock) {
                Counter.count += 1;
            }
        }
    }
}

class DecThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i=0; i<10000; i++) {
            synchronized(Counter.lock) {
                Counter.count -= 1;
            }
        }
    }
}

synchronized(Counter.lock) { // 获取锁
    ...
} // 释放锁

它表示用Counter.lock实例作为锁，两个线程在执行各自的synchronized(Counter.lock) { … }代码块时，必须先获得锁，才能进入代码块进行。执行结束后，在synchronized语句块结束会自动释放锁。这样一来，对Counter.count变量进行读写就不可能同时进行。上述代码无论运行多少次，最终结果都是0。

使用synchronized解决了多线程同步访问共享变量的正确性问题。但是，它的缺点是带来了性能下降。因为synchronized代码块无法并发执行。此外，加锁和解锁需要消耗一定的时间，所以，synchronized会降低程序的执行效率。

概括如何使用 synchronized：

• 找出修改共享比哪里的线程代码块
• 选择一个共享实例作为锁
• 使用 synchronized 时，不必担心抛出异常，因为无论是否有异常，都会在 synchronized 结束处正确释放锁

public void add(int m) {
    synchronized (obj) {
        if (m < 0) {
            throw new RuntimeException();
        }
        this.value += m;
    } // 无论有无异常，都会在此释放锁
}

注意：如果两个线程各自的 synchronized 锁住的不是同一个对象，那两个线程各自都可以同时获得锁：因为JVM只保证同一个锁在任意时刻只能被一个线程获取，但两个不同的锁在同一时刻可以被两个线程分别获取。

因此，使用synchronized的时候，获取到的是哪个锁非常重要。锁对象如果不对，代码逻辑就不对。

常见的原子性操作

• 基本类型（long 和 double 除外）赋值，例如 int n = 8
• 引用类型赋值，例如 List list = a

long和double是64位数据，JVM没有明确规定64位赋值操作是不是一个原子操作，不过在x64平台的JVM是把long和double的赋值作为原子操作实现的。

单条原子操作的语句不需要同步。例如：

public void set(int m) {
    synchronized(lock) {
        this.value = m;
    }
}
// 或者引用类型的
public void set(String s) {
    this.value = s;
}

但是，如果是多行赋值语句，就必须保证是同步操作，例如：

class Pair {
    int first;
    int last;
    public void set(int first, int last) {
        synchronized(this) {
            this.first = first;
            this.last = last;
        }
    }
}

// 如果稍修改就是院子操作：
class Pair {
    int[] pair;
    public void set(int first, int last) {
        int[] ps = new int[] { first, last };
        this.pair = ps;
    }
}

ps是方法内部定义的局部变量，每个线程都会有各自的局部变量，互不影响，并且互不可见，并不需要同步

同步方法

让线程自己选择锁对象往往会使得代码逻辑混乱，也不利于封装。更好的方法是把synchronized逻辑封装起来。例如，我们编写一个计数器如下：

public class Counter {
    private int count = 0;

    public void add(int n) {
        synchronized(this) {
            count += n;
        }
    }
    
    public void dec(int n) {
        synchronized(this) {
            count -= n;
        }
    }

    public int get() {
        return count;
    }
}

这样一来，线程调用add()、dec()方法时，它不必关心同步逻辑，因为synchronized代码块在add()、dec()方法内部。并且，我们注意到，synchronized锁住的对象是this，即当前实例，这又使得创建多个Counter实例的时候，它们之间互不影响，可以并发执行

如果一个类允许多线程正确访问，就说这个类就是“线程安全”的（thread-safe），上面的Counter类就是线程安全的。Java标准库的java.lang.StringBuffer也是线程安全的

还有一些不变类，例如String，Integer，LocalDate，它们的所有成员变量都是final，多线程同时访问时只能读不能写，这些不变类也是线程安全的

最后，类似Math这些只提供静态方法，没有成员变量的类，也是线程安全的。

没有特殊说明时，一个类默认是非线程安全的。

下面两种方法是等价的

public void add(int n) {
    synchronized(this) { // 锁住this
        count += n;
    } // 解锁
}

public synchronized void add(int n) { // 锁住this
    count += n;
} // 解锁

因此，用synchronized修饰的方法就是同步方法，它表示整个方法都必须用this实例加锁

我们再思考一下，如果对一个静态方法添加synchronized修饰符，它锁住的是哪个对象？

对于static方法，是没有this实例的，因为static方法是针对类而不是实例。但是我们注意到任何一个类都有一个由JVM自动创建的Class实例，因此，对static方法添加synchronized，锁住的是该类的Class实例。即下面两种情况一样：

public synchronized static void test(int n) {
    ...
}

public class Counter {
    public static void test(int n) {
        synchronized(Counter.class) {
            ...
        }
    }
}

• 用synchronized修饰方法可以把整个方法变为同步代码块，synchronized方法加锁对象是this
• 一个类没有特殊说明，默认不是thread-safe

学习笔记----《廖雪峰教程》