java线程安全总结

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。java的多线程并发问题最终都会反映在java的内存模型上，所谓线程安全无非要控制多个线程对某个资源的有序访问或修改。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，要解决的是在jvm内存模型的基础上，如何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。当一个共享便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：
 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：

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关键字只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：
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：

public synchronized void add(int num) {   
     balance = balance + num;   
}   
public synchronized void withdraw(int num) {   
     balance = balance - num;   
}   

 

 

 

<SPAN>import java.util.ArrayList;   
import java.util.List;   
  
public class Plate {   
  
    List<Object> eggs = new ArrayList<Object>();   
  
    public synchronized Object getEgg() {   
        if (eggs.size() == 0) {   
            try {   
                wait();   
            } catch (InterruptedException e) {   
            }   
        }   
  
        Object egg = eggs.get(0);   
        eggs.clear();// 清空盘子   
        notify();// 唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列   
        System.out.println("拿到鸡蛋");   
        return egg;   
    }   
  
    public synchronized void putEgg(Object egg) {   
        if (eggs.size() > 0) {   
            try {   
                wait();   
            } catch (InterruptedException e) {   
            }   
        }   
        eggs.add(egg);// 往盘子里放鸡蛋   
        notify();// 唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列   
        System.out.println("放入鸡蛋");   
    }   
       
    static class AddThread extends Thread{   
        private Plate plate;   
        private Object egg=new Object();   
        public AddThread(Plate plate){   
            this.plate=plate;   
        }   
           
        public void run(){   
            for(int i=0;i<5;i++){   
                plate.putEgg(egg);   
            }   
        }   
    }   
       
    static class GetThread extends Thread{   
        private Plate plate;   
        public GetThread(Plate plate){   
            this.plate=plate;   
        }   
           
        public void run(){   
            for(int i=0;i<5;i++){   
                plate.getEgg();   
            }   
        }   
    }   
       
    public static void main(String args[]){   
        try {   
            Plate plate=new Plate();   
            Thread add=new Thread(new AddThread(plate));   
            Thread get=new Thread(new GetThread(plate));   
            add.start();   
            get.start();   
            add.join();   
            get.join();   
        } catch (InterruptedException e) {   
            e.printStackTrace();   
        }   
        System.out.println("测试结束");   
    }   
}   
</SPAN>  

 

 执行结果

 

 

 

 

 

放入鸡蛋   
拿到鸡蛋   
放入鸡蛋   
拿到鸡蛋   
放入鸡蛋   
拿到鸡蛋   
放入鸡蛋   
拿到鸡蛋   
放入鸡蛋   
拿到鸡蛋   
测试结束  

 

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。

volatile关键字
       volatile是java提供的一种同步手段，只不过它是轻量级的同步，为什么这么说，因为volatile只能保证多线程的内存可见性，不能保证多线程的执行有序性。而最彻底的同步要保证有序性和可见性，例如synchronized。任何被volatile修饰的变量，都不拷贝副本到工作内存，任何修改都及时写在主存。因此对于Valatile修饰的变量的修改，所有线程马上就能看到，但是volatile不能保证对变量的修改是有序的。什么意思呢？假如有这样的代码：