java线程安全

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      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：

Java代码  

1. for(int i=0;i<10;i++)   
2.  a++;  

 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：

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. }  

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：

Java代码  

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

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：

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. }  

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：

Java代码  

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

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：

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. }  

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：

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. }  

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

 

Java代码  

1. import java.util.ArrayList;   
2. import java.util.List;   
3.   
4. public class Plate {   
5.   
6.     List