JUC并发编程共享模型之管程（三）(上)

三 共享模型之管程（上）

4.1 共享问题

问题发现

@Slf4j
public class ShareTest01 {

    static int count = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for(int i = 0; i < 5000; i++){
                count++;
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for(int i = 0; i < 5000; i++){
                count--;
            }
        },"t2");
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        log.debug("{}",count);
    }
}

问题分析：

• 这个程序每次运行结果都不一样，这就是共享问题。
  • 对于程序共享的资源进行读写，会发生交错运行。
  • 由于i++和i–都不是原子操作在运行过程中会发生上下文切换。
  • 这边修改的值还没有同步到主内存中，另一个线程就已经从主存中取出未修改的值进行其他操作，导致出现共享问题。

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

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
isub // 自减
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。（单线程下不会出现问题）

临界区 Critical Section

• 一个程序多个线程运行本身没有问题
• 问题出现在多个线程访问共享资源
  • 多个线程读共享资源没有问题
  • 问题在多个线程对共享资源进行读写操作时发生指令交错
• 一段代码块内如果存在对共享资源的多线程读写操作，这段代码块被称为临界区

static int count = 0;
static void increment() 
// 临界区
{ 
 count++;
}
static void decrement() 
// 临界区
{ 
 count--;
}

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

4.2 synchronized解决方案

为了避免临界区的竞态条件发生

• 阻塞式：synchronized , Lock （加锁）
• 非阻塞式 ： 原子变量

​ synchronized 也就是速成的 【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。

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

解决方案

@Slf4j
public class ShareTest02 {

    static int count = 0;
    // 创建一个对象，想成一个房间，一回里面只能有一个
    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++){
                // 房间大门
                synchronized(room){
                    count++;
                }
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for(int i = 0; i < 5000; i++){
                // 房间大门
                synchronized(room){
                    count--;
                }
            }
        },"t2");
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        log.debug("{}",count);
    }
}

• synchronized 实际上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

使用面向对象的思想，将需要保护的共享变量放入一个类中

@Slf4j
public class ShareTest03 {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Room room = new Room();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5000; i++){
                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.getValue());
    }

}

class Room {

    int value = 0;

    public void increment(){
        synchronized (this){
            value++;
        }
    }

    public void decrement(){
        synchronized (this){
            value--;
        }
    }

    public int getValue(){
        synchronized (this){
            return value;
        }
    }

}

4.3 写在方法上的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synchronized的方法在多线程中就会发生混乱，指令交错。

4.4变量的线程安全分析

成员变量和静态变量是否线程安全

• 如果没有共享，则线程安全
• 如果被共享了
  • 如果只是读操作，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

局部变量是否线程安全

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

局部变量的例子

@Slf4j
public class ThreadSafe01 {

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            int i = 10;
            i++;
            log.debug("局部变量i:{}",i);

        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            int i = 10;
            i++;
            log.debug("局部变量i:{}",i);
        });

        t1.start();
        t2.start();
    }

}

局部变量 i ，并没有共享，线程是安全的

成员变量的例子

@Slf4j
public class ThreadMemberTest01 {

    public static void main(String[] args) {
        ThreadUnSafe unSafe = new ThreadUnSafe();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
           unSafe.method1(5000);
            log.debug("成员变量：{}",Arrays.asList(unSafe));
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            unSafe.method1(5000);
            log.debug("成员变量：{}",Arrays.asList(unSafe));
        });

        t1.start();
        t2.start();
    }

}


class ThreadUnSafe {

    ArrayList<String> list = new ArrayList<>();

    public  void method1(int loopNum){

        for (int i = 0; i < loopNum; i++){
            // 临界区 产生竞态条件
            method2();

            method3();
        }
    }

    private  void  method3() {
        list.remove(0);
    }

    private  void method2() {
        list.add("1");
    }
}

这个多运行几次。

• list成员变量被共享了，一旦多个线程进入就可能发生线程安全问题
  • 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

将成员变量修改为局部变量：

@Slf4j
public class ThreadMemberTest02 {

    public static void main(String[] args) {
        ThreadUnSafe unSafe = new ThreadUnSafe();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
           unSafe.method1(5000);
            log.debug("成员变量：{}",Arrays.asList(unSafe));
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            unSafe.method1(5000);
            log.debug("成员变量：{}",Arrays.asList(unSafe));
        });

        t1.start();
        t2.start();

    }

}
class ThreadSafe {

    public final  void method1(int loopNum){
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < loopNum; i++){
            // 临界区 产生竞态条件
            method2(list);

            method3(list);
        }

    }

    private  void  method3( ArrayList<String> list) {
        list.remove(0);
    }

    private  void method2( ArrayList<String> list) {
        list.add("1");
    }

}

• list是局部变量，每个线程调用会创建其不同的实例，没有共享
• method2的参数是从method1中传来的，与method1中引用同一个对象
• method3和method2一样

修改方法访问修饰符

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会不会代理线程安全问题?

• 情况1：有其它线程调用method2和method3
  • 将method2和method3的权限修饰符改为public，此时仍线程安全。因为，在调用method2和method3是，操作的list并不是在method1内的list。
• 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

class ThreadSafe{
    public void method1(int loopNumber) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            method2(list);
            method3(list);
        }
    }

    public void method2(ArrayList<String> list) { list.add("1"); }
    public 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();
    }
}

此时会出现线程安全问题，因为method1创建list对象操作list，调用method3时会创建另一个线程操作这个list，多个线程共享list，将出现线程安全问题。

• private修饰的方法不能被重写。
• final防止子类覆盖方法。

常见的线程安全类

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

线程安全指的是，多个线程调用他们同一实例的某个方法是线程安全的

• 每个方法都可以保证原子性
• 但注意多个方法组合不是原子