[转]java 线程安全

       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++;

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,write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.}  

       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. }

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. }

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. }

       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. }

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. }

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.  package com.jameswxx.synctest;  

2.  public class Plate{  

3.    List<Object> eggs=new ArrayList<Object>();  

4.    public synchronized  Object getEgg(){  

5.       if(eggs.size()==0){  

6.          try{  

7.              wait();  

8.          }catch(InterruptedException e){  

9.          }  

10.     }  

11.  

12.    Object egg=eggs.get(0);  

13.    eggs.clear();//清空盘子  

14.    notify();//唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列  

15.    return egg;  

16.}  

17.  

18. public synchronized  void putEgg(Object egg){  

19.    If(eggs.size()>0){  

20.      try{  

21.         wait();  

22.      }catch(InterruptedException e){  

23.      }  

24.    }  

25.    eggs.add(egg);//往盘子里放鸡蛋  

26.    notify();//唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列  

27.  }  

28.}  

声明一个 Plate 对象为 plate ，被线程 A 和线程 B 共享， A 专门放鸡蛋， B 专门拿鸡蛋。假设
1 开始， A 调用 plate.putEgg 方法，此时 eggs.size() 为 0 ，因此顺利将鸡蛋放到盘子，还执行了 notify() 方法，唤醒锁的阻塞队列的线程，此时阻塞队列还没有线程。
2 又有一个 A 线程对象调用 plate.putEgg 方法，此时 eggs.size() 不为 0 ，调用 wait() 方法，自己进入了锁对象的阻塞队列。
3 此时，来了一个 B 线程对象，调用 plate.getEgg 方法， eggs.size() 不为 0 ，顺利的拿到了一个鸡蛋，还执行了 notify() 方法，唤醒锁的阻塞队列的线程，此时阻塞队列有一个 A 线程对象，唤醒后，它进入到就绪队列，就绪队列也就它一个，因此马上得到锁，开始往盘子里放鸡蛋，此时盘子是空的，因此放鸡蛋成功。
4 假设接着来了线程 A ，就重复 2 ；假设来料线程 B ，就重复 3 。  
整个过程都保证了放鸡蛋，拿鸡蛋，放鸡蛋，拿鸡蛋。