【Java重拾】线程安全性概述

并发概述

学过单片机，微机原理的同学都知道。在单片机构成的最小系统中，程序是按照从上往下执行的，任何时间点，任何时间点执行单元中只会存在一条指令，这样带来最直接的问题就是资源利用率低下。例如程序因需要等待IO输入而进行循环等待，此时CPU本应空闲下来却因为需要等待用户输入而无法真正去执行其他程序逻辑块，造成CPU资源浪费。为此CPU提供了中断机制（此中断非Java的中断）来使得CPU可以在等待IO输入时可以执行其他指令，而在IO输入时利用中断机制打断现有的程序逻辑进入中断，执行完中断程序后再跳回原先的程序逻辑，从而提高了CPU的资源利用率。这是相对底层的做法，在操作系统层面，一般通过粗粒的的时间分片，控制CPU在不同的时间段（很小）内执行不同的程序逻辑，以达到在用户无法感知的情况下“同时”运行多个程序，这就是我们说的多进程/多线程。虽然这样提高了系统资源的利用率，但若在进程或线程间存在数据交换，就会随之带来让人头疼的并发问题。
从一只Java程序猿触发，本文将介绍着重介绍Java中的线程安全概念。

1.Java中并发为什么会带来安全性问题

Java采用多线程的形式为程序提供并发执行方案。在同一时间可能存在多条线程同时访问同一个变量并对其进行值修改。我们知道Java在编译后是以字节码的形式供JVM执行，而一般情况下在对变量进行操作时会经历入栈，运算，出栈的操作。此时如果有两个线程同时进行入栈，再运算之后将结果出栈推回变量，就会造成计算结果无法预估，因为结果取决于执行较慢的那个线程。超减问题便是在高并发情况下的安全问题之一。

public class IdentifyGenerator{
  private int v;
  public int next(){
    //这里不使用return ++v或 return v++主要是怕难以理解,注意两者的区别
    v = v + 1;
    return v;
  }
}

上述代码在多线程情境下，会存在线程安全问题，原因在于v=v+1并不是一步操作。而是先读取v的值，再+1，再写回v中。使用命令javap -c 查看如下：

public class IdentifyGenerator{
  public IdentifyGenerator();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V
       4: return

  public int get();
    Code:
       0: aload_0
       1: aload_0
       2: getfield      #2                  // 读取变量v的值入栈
       5: iconst_1                          // 常量1
       6: iadd                                 // 栈顶加法运算
       7: putfield      #2                  // 写回变量v
      10: aload_0
      11: getfield      #2                  // Field v:I
      14: ireturn
}

多线程下线程交替执行

如上图，在线程交替执行的情况下，我们的唯一标示生成器可能返回两次1，这种情况下，就认为我们写的这个类不是线程安全的。

2.什么是线程安全

当多个线程同时访问某个资源（类）时，不管JVM对线程采用何种调度方式和交替执行顺序，并且在主调代码中不需要额外的同步或协同，这个类都能表现出正确的行为，那么就说该类是线程安全的。

3.如何实现线程安全

3.1原子性

在1节中我们知道造成线程安全问题，是由线程交替执行导致我们的关键性操作被拆分导致的。所以如果若我们能将关键性操作打包成一个操作，那么就可以规避该问题了。我们称这种打包后的，不可拆分的操作为原子操作。
1节中这种由于线程交替执行而出现不正确结果，我们称之为竞态条件。常见的竞态条件类型有：先检查后操作，延迟初始化（其实和先检查后操作差不多。例子：懒汉单例模式）。

3.2可见性

可见性是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。
Java线程在读取变量时，会先从主存将变量读入到CPU高速缓存中，线程在对变量进行操作时，都是先在高速缓存上的这个副本进行操作后，再写回主存，从而导致了可见性问题。Java采用volatile关键字来保证可见性。当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。

4.Java中的加锁机制

4.1Java同步代码块

Java提供了同步代码块的加锁机制来实现原子操作，同步代码块包括两个部分，一个是作为锁的对象引用，一个是被该锁保护的代码块。Java同步锁相当于一种互斥体，同一时间只能有一个线程可以持有同一对象的锁，未持有该对象锁的线程会被阻塞而不能进入代码块。
值得注意的是，即使我们采用了同步代码块，我们的类或方法并不一定是线程安全的。要保证线程安全，我们需要在同步代码块（即单个原子操作）中更新所有相关的状态变量。

4.2可重入

Java同步锁是一种可重入锁，可重入意味着获取了锁的线程在试图重新获取该锁时，是成功的。即锁的操作粒度是线程而不是代码块。重入锁的一种实现方式是，给每个锁增加一个获取计数值和一个所有线程，当有线程进入成功获取锁进入同步代码时，便是计数器加1，退出代码块则减1.当计数器为0时认为没有线程获取到该锁。

4.3活跃性问题和性能问题

同步锁保证了Java在多线程环境下的安全性，但同时也降低了程序的并发能力。倘若滥用同步锁，由于同步代码块在同一时间只能有一个线程在执行，那么极端情况下可能造成即使采用了多线程，实际上JVM中只存在一个线程在执行。

public class Server extends Thread{
  ...

  public synchronized void doSomething(){
    ...
  }

  public void run(){
    doSomething();
  }
  
  public static void main(String[] args){
    new Server().start();
    new Server().start();
    new Server().start();
  }
}