JUC并发编程：共享模型之管程

0. 整体目录

• 共享问题
• synchronized
• 线程安全分析
• Monitor
• wait/notify
• 线程状态转换
• 活跃性
• Lock

课程地址

1. 共享问题

1.1 举例共享带来的问题

• 老王（操作系统）有一个功能强大的算盘（CPU），现在想把它租出去，赚一点外快

• 

• 小南、小女（线程）来使用这个算盘来进行一些计算，并按照时间给老王支付费用

• 但小南不能一天24小时使用算盘，他经常要小憩一会（sleep），又或是去吃饭上厕所（阻塞 io 操作），有时还需要一根烟，没烟时思路全无（wait）这些情况统称为（阻塞）

• 

• 在这些时候，算盘没利用起来（不能收钱了），老王觉得有点不划算

• 另外，小女也想用用算盘，如果总是小南占着算盘，让小女觉得不公平

• 于是，老王灵机一动，想了个办法 [ 让他们每人用一会，轮流使用算盘 ]

• 这样，当小南阻塞的时候，算盘可以分给小女使用，不会浪费，反之亦然

• 最近执行的计算比较复杂，需要存储一些中间结果，而学生们的脑容量（工作内存）不够，所以老王申请了一个笔记本（主存），把一些中间结果先记在本上

• 计算流程是这样的

• 

• 但是由于分时系统，有一天还是发生了事故

• 小南刚读取了初始值 0 做了个 +1 运算，还没来得及写回结果

• 老王说 [ 小南，你的时间到了，该别人了，记住结果走吧 ]，于是小南念叨着 [ 结果是1，结果是1…] 不甘心地到一边待着去了（上下文切换）

• 老王说 [ 小女，该你了 ]，小女看到了笔记本上还写着 0 做了一个 -1 运算，将结果 -1 写入笔记本

• 这时小女的时间也用完了，老王又叫醒了小南：[小南，把你上次的题目算完吧]，小南将他脑海中的结果 1 写入了笔记本

• 

• 小南和小女都觉得自己没做错，但笔记本里的结果是 1 而不是 0

1.2 Java代码的体现

两个线程对初始值为 0 的静态变量一个做自增，一个做自减，各做 5000 次，结果是 0 吗？

static int counter = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 5000; i++) {
            counter++;
        }
    }, "t1");
    
    Thread t2 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 5000; i++) {
            counter--;
        }
    }, "t2");
    
    t1.start();
    t2.start();
    t1.join();
    t2.join();
    
    log.debug("{}",counter);
}

结果： -2048
每次都不一样

1.3 问题分析

        以上的结果可能是正数、负数、零。为什么呢？因为 Java 中对静态变量的自增，自减并不是原子操作，要彻底理解，必须从字节码来进行分析

        例如对于 i++ 而言（i 为静态变量），实际会产生如下的 JVM 字节码指令：

getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 // 准备常量1
iadd // 自增
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i

        而 Java 的内存模型如下，完成静态变量的自增，自减需要在主存和工作内存中进行数据交换：

        如果是单线程以上 8 行代码是顺序执行（不会交错）没有问题：

        但多线程下这 8 行代码可能交错运行：
        出现负数的情况：

        出现正数的情况：

1.4 临界区 Critical Section

临界区（Critical Section）：指的是一个访问共享资源的程序片段，而这些共享资源又无法同时被多个线程访问的特性。当有线程进入临界区段时，其他线程或是进程必须等待，有一些同步的机制必须在临界区段的进入点与离开点实现，以确保这些共享资源是被互斥获得使用的。

• 一个程序运行多个线程本身是没有问题的
• 问题出在多个线程访问共享资源
  1. 多个线程读共享资源其实也没有问题
  2. 在多个线程对共享资源读写操作时发生指令交错，就会出现问题
• 一段代码块内如果存在对共享资源的多线程读写操作，称这段代码块为临界区

例如，下面代码中的临界区

static int counter = 0;

static void increment()
// 临界区
{
    counter++; 
}

static void decrement()
// 临界区
{
    counter--; 
}

1.5 竞态条件 Race Condition

多个线程在临界区内执行，由于代码的执行序列不同而导致结果无法预测，称之为发生了竞态条件

2. synchronized

2.1 互斥

   为了避免临界区的竞态条件发生，有多种手段可以达到目的。

• 阻塞式的解决方案：synchronized，Lock 。
• 非阻塞式的解决方案：原子变量 。

        本次课使用阻塞式的解决方案：synchronized，来解决上述问题，即俗称的【对象锁】，它采用互斥的方式让同一时刻至多只有一个线程能持有【对象锁】，其它线程再想获取这个【对象锁】时就会阻塞住。这样就能保证拥有锁的线程可以安全的执行临界区内的代码，不用担心线程上下文切换

注意：
    虽然 java 中互斥和同步都可以采用 synchronized 关键字来完成，但它们还是有区别的：

• 互斥是保证临界区的竞态条件发生，同一时刻只能有一个线程执行临界区代码。
• 同步是由于线程执行的先后、顺序不同、需要一个线程等待其它线程运行到某个点。

2.2 synchronized语法

synchronized(对象) // 线程1， 线程2(blocked)
{
 	临界区
}

解决

static int counter = 0;
static final Object room = new Object();

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 5000; i++) {
            synchronized (room) {
                counter++;
            }
        }
    }, "t1");
    
    Thread t2 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 5000; i++) {
            synchronized (room) {
                counter--;
            }
        }
    }, "t2");
    
    t1.start();
    t2.start();
    t1.join();
    t2.join();
    log.debug("{}",counter);
}

你可以做这样的类比：

• synchronized(对象) 中的对象，可以想象为一个房间（room），有唯一入口（门）房间只能一次进入一人进行计算，线程 t1，t2 想象成两个人

• 当线程 t1 执行到 synchronized(room) 时就好比 t1 进入了这个房间，并锁住了门拿走了钥匙，在门内执行count++ 代码

• 这时候如果 t2 也运行到了 synchronized(room) 时，它发现门被锁住了，只能在门外等待，发生了上下文切换，阻塞住了

• 这中间即使 t1 的 cpu 时间片不幸用完，被踢出了门外（不要错误理解为锁住了对象就能一直执行下去哦），这时门还是锁住的，t1 仍拿着钥匙，t2 线程还在阻塞状态进不来，只有下次轮到 t1 自己再次获得时间片时才能开门进入

• 当 t1 执行完 synchronized{} 块内的代码，这时候才会从 obj 房间出来并解开门上的锁，唤醒 t2 线程把钥匙给他。t2 线程这时才可以进入 obj 房间，锁住了门拿上钥匙，执行它的 count-- 代码.

synchronized 实际是用对象锁保证了临界区内代码的原子性，临界区内的代码对外是不可分割的，不会被线程切换所打断。
原子性的操作是不可被中断的一个或一系列操作。

面向对象的改进

class Room {
    int value = 0;
    public void increment() {
        synchronized (this) {
            value++;
        }
    }
    public void decrement() {
        synchronized (this) {
            value--;
        }
    }
    public int get() {
        synchronized (this) {
            return value;
        }
    }
}

@Slf4j
public class Test1 {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Room room = new Room();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 5000; j++) {
                room.increment();
            }
        }, "t1");
        
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 5000; j++) {
                room.decrement();
            }
        }, "t2");
        
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        
        log.debug("count: {}" , room.get());
    }
}

2.3 方法上的synchronized

class Test{
    public synchronized void test() {

    }
}
等价于
class Test{
    public void test() {
        synchronized(this) {

        }
    }
}

class Test{
    public synchronized static void test() {
        
    }
}
等价于
class Test{
    public static void test() {
        synchronized(Test.class) {

        }
    }
}

不加 synchronized 的方法
不加 synchronzied 的方法就好比不遵守规则的人，不去老实排队（好比翻窗户进去的）

3. 所谓的“线程八锁”

其实就是考察synchronzied锁住的是哪个对象

情况1：12 或 21

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
    public synchronized void a() {
        log.debug("1");
    }
    public synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }
}

public static void main(String[] args) {
    Number n1 = new Number();
    new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
    new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
}

---

情况2：1s后12，或 2 1s后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
    public synchronized void a() {
        sleep(1);
        log.debug("1");
    }
    public synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }
}

public static void main(String[] args) {
    Number n1 = new Number();
    new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
    new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
}

---

情况3：3 1s 12 或 23 1s 1 或 32 1s 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
    public synchronized void a() {
        sleep(1);
        log.debug("1");
    }
    public synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }
    public void c() {
        log.debug("3");
    }
}

public static void main(String[] args) {
    Number n1 = new Number();
    new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
    new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
    new Thread(()->{ n1.c(); }).start();
}

---

情况4：2 1s 后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
    public synchronized void a() {
        sleep(1);
        log.debug("1");
    }
    public synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }
}

public static void main(String[] args) {
    Number n1 = new Number();
    Number n2 = new Number();
    new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
    new Thread(()->{ n2.b(); }).start();
}

---

情况5：2 1s 后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
    public static synchronized void a() {
        sleep(1);
        log.debug("1");
    }
    public synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }
}

public static void main(String[] args) {
    Number n1 = new Number();
    new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
    new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
}

---

情况6：1s 后12， 或 2 1s后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
    public static synchronized void a() {
        sleep(1);
        log.debug("1");
    }
    public static synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }
}

public static void main(String[] args) {
    Number n1 = new Number();
    new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
    new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
}

---

情况7：2 1s 后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
    public static synchronized void a() {
        sleep(1);
        log.debug("1");
    }
    public synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }
}

public static void main(String[] args) {
    Number n1 = new Number();
    Number n2 = new Number();
    new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
    new Thread(()->{ n2.b(); }).start();
}

---

情况8：1s 后12， 或 2 1s后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
    public static synchronized void a() {
        sleep(1);
        log.debug("1");
    }
    public static synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }
}

public static void main(String[] args) {
    Number n1 = new Number();
    Number n2 = new Number();
    new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
    new Thread(()->{ n2.b(); }).start();
}

4. 变量的线程安全分析

4.1 成员变量和静态变量是否线程安全？

• 如果它们没有共享，则线程安全
• 如果它们被共享了，根据它们的状态是否能够改变，又分两种情况
  • 如果只有读操作，则线程安全
  • 如果有读写操作，则这段代码是临界区，需要考虑线程安全

4.2 局部变量是否线程安全？

• 局部变量是线程安全的
• 但局部变量引用的对象则未必
  • 如果该对象没有逃离方法的作用访问，它是线程安全的
  • 如果该对象逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全

4.3 局部变量线程安全分析

public static void test1() {
    int i = 10;
    i++; 
}

每个线程调用 test1() 方法时局部变量 i，会在每个线程的栈帧内存中被创建多份，因此不存在共享

public static void test1();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
        stack=1, locals=1, args_size=0
        0: bipush            10
        2: istore_0
        3: iinc               0, 1
        6: return
    LineNumberTable:
        line 10: 0
        line 11: 3
        line 12: 6
    LocalVariableTable:
        Start Length Slot Name Signature
            3      4     0    i   I

如图：

4.4 成员变量的例子

class ThreadUnsafe {
    ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
    public void method1(int loopNumber) {
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            // { 临界区, 会产生竞态条件
            method2();
            method3();
            // } 临界区
        }
    }
    private void method2() {
        list.add("1");
    }
    private void method3() {
        list.remove(0);
    }
}

static final int THREAD_NUMBER = 2;
static final int LOOP_NUMBER = 200;
public static void main(String[] args) {
    ThreadUnsafe test = new ThreadUnsafe();
    for (int i = 0; i < THREAD_NUMBER; i++) {
        new Thread(() -> {
            test.method1(LOOP_NUMBER);
        }, "Thread" + i).start();
    }
}

执行后出现：
Exception in thread "Thread1" java.lang.IndexOutOfBoundsException: Index: 0, Size: 0 
     at java.util.ArrayList.rangeCheck(ArrayList.java:657) 
     at java.util.ArrayList.remove(ArrayList.java:496) 
     at cn.itcast.n6.ThreadUnsafe.method3(TestThreadSafe.java:35) 
     at cn.itcast.n6.ThreadUnsafe.method1(TestThreadSafe.java:26) 
     at cn.itcast.n6.TestThreadSafe.lambda$main$0(TestThreadSafe.java:14) 
     at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

分析：

• 无论哪个线程中的 method2 引用的都是同一个对象中的 list 成员变量
• method3 与 method2 分析相同

---

将 list 修改为局部变量

class ThreadSafe {
    public final void method1(int loopNumber) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            method2(list);
            method3(list);
        }
    }
    private void method2(ArrayList<String> list) {
        list.add("1");
    }
    private void method3(ArrayList<String> list) {
        list.remove(0);
    }
}

那么就不会有上述问题了
分析：

• list 是局部变量，每个线程调用时会创建其不同实例，没有共享
• 而 method2 的参数是从 method1 中传递过来的，与 method1 中引用同一个对象
• method3 的参数分析与 method2 相同
  

方法访问修饰符带来的思考，如果把 method2 和 method3 的方法修改为 public 会不会出现线程安全问题？

• 情况1：有其它线程调用 method2 和 method3
• 情况2：在 情况1 的基础上，为 ThreadSafe 类添加子类，子类覆盖 method2 或 method3 方法，即

class ThreadSafe {
    public final void method1(int loopNumber) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            method2(list);
            method3(list);
        }
    }
    private void method2(ArrayList<String> list) {
        list.add("1");
    }
    private void method3(ArrayList<String> list) {
        list.remove(0);
    }
}

class ThreadSafeSubClass extends ThreadSafe{
    @Override
    public void method3(ArrayList<String> list) {
        new Thread(() -> {
            list.remove(0);
        }).start();
    }
}

4.5 常见线程安全类

• String
• Integer
• StringBuffer
• Random
• Vector
• Hashtable
• java.util.concurrent 包下的类

这里说它们是线程安全的是指，多个线程调用它们同一个实例的某个方法时，是线程安全的。

Hashtable table = new Hashtable();

new Thread(()->{
    table.put("key", "value1");
}).start();

new Thread(()->{
    table.put("key", "value2");
}).start();

• 它们的每个方法是原子的
• 但注意它们多个方法的组合不是原子的

4.5.1 线程安全类方法的组合

分析下面代码是否线程安全？======>不安全

Hashtable table = new Hashtable();
// 线程1，线程2
if( table.get("key") == null) {
    table.put("key", value);
}

4.5.2 不可变类线程安全性

String、Integer 等都是不可变类，因为其内部的状态不可以改变，因此它们的方法都是线程安全的

4.5.3 实际例子分析

public class MyServlet extends HttpServlet {
    // 是否安全？  不安全
    Map<String,Object> map = new HashMap<>();
    // 是否安全？  安全
    String S1 = "...";
    // 是否安全？  安全
    final String S2 = "...";
    // 是否安全？  不安全
    Date D1 = new Date();
    // 是否安全？  不安全
    final Date D2 = new Date();

    public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
        // 使用上述变量
    }
}

5. Monitor

课程
Monitor和对象结构-值得看
上述笔记

        管程 ( Monitor，也称为监视器) ：是一种程序结构，结构内的多个子程序（对象或模块）形成的多个工作线程互斥访问共享资源。这些共享资源一般是硬件设备或一群变量。简而言之，管程是管理共享变量以及对共享变量的操作过程，使其支持并发。

附录

1.其他人笔记
2.JUC-管程
3.多线程篇-线程安全-原子性、可见性、有序性解析
4.Monitor和对象结构