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java线程安全总结(一)

分类： Java

2011-05-18 15:29:35

      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  收藏代码
  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,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：

Java代码  收藏代码
  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  收藏代码
  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  收藏代码
  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  收藏代码
  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  收藏代码
  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  收藏代码
  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  收藏代码
  1. import java.util.ArrayList;  
  2. import java.util.List;  
  3.   
  4. public class Plate {  
  5.   
  6.     List eggs = new ArrayList();  
  7.   
  8.     public synchronized Object getEgg() {  
  9.         if (eggs.size() == 0) {  
  10.             try {  
  11.                 wait();  
  12.             } catch (InterruptedException e) {  
  13.             }  
  14.         }  
  15.   
  16.         Object egg = eggs.get(0);  
  17.         eggs.clear();// 清空盘子  
  18.         notify();// 唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列  
  19.         System.out.println("拿到鸡蛋");  
  20.         return egg;  
  21.     }  
  22.   
  23.     public synchronized void putEgg(Object egg) {  
  24.         if (eggs.size() > 0) {  
  25.             try {  
  26.                 wait();  
  27.             } catch (InterruptedException e) {  
  28.             }  
  29.         }  
  30.         eggs.add(egg);// 往盘子里放鸡蛋  
  31.         notify();// 唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列  
  32.         System.out.println("放入鸡蛋");  
  33.     }  
  34.       
  35.     static class AddThread extends Thread{  
  36.         private Plate plate;  
  37.         private Object egg=new Object();  
  38.         public AddThread(Plate plate){  
  39.             this.plate=plate;  
  40.         }  
  41.           
  42.         public void run(){  
  43.             for(int i=0;i<5;i++){  
  44.                 plate.putEgg(egg);  
  45.             }  
  46.         }  
  47.     }  
  48.       
  49.     static class GetThread extends Thread{  
  50.         private Plate plate;  
  51.         public GetThread(Plate plate){  
  52.             this.plate=plate;  
  53.         }  
  54.           
  55.         public void run(){  
  56.             for(int i=0;i<5;i++){  
  57.                 plate.getEgg();  
  58.             }  
  59.         }  
  60.     }  
  61.       
  62.     public static void main(String args[]){  
  63.         try {  
  64.             Plate plate=new Plate();  
  65.             Thread add=new Thread(new AddThread(plate));  
  66.             Thread get=new Thread(new GetThread(plate));  
  67.             add.start();  
  68.             get.start();  
  69.             add.join();  
  70.             get.join();  
  71.         } catch (InterruptedException e) {  
  72.             e.printStackTrace();  
  73.         }  
  74.         System.out.println("测试结束");  
  75.     }  
  76. }  

    77.   执行结果：

    Html代码  收藏代码
    1. 放入鸡蛋  
    2. 拿到鸡蛋  
    3. 放入鸡蛋  
    4. 拿到鸡蛋  
    5. 放入鸡蛋  
    6. 拿到鸡蛋  
    7. 放入鸡蛋  
    8. 拿到鸡蛋  
    9. 放入鸡蛋  
    10. 拿到鸡蛋  
    11. 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：

    Java代码  收藏代码
    1. public class VolatileTest{  
    2.   public volatile int a;  
    3.   public void add(int count){  
    4.        a=a+count;  
    5.   }  
    6. }  
     


            当一个VolatileTest对象被多个线程共享，a的值不一定是正确的，因为a=a+count包含了好几步操作，而此时多个线程的执行是无序的，因 为没有任何机制来保证多个线程的执行有序性和原子性。volatile存在的意义是，任何线程对a的修改，都会马上被其他线程读取到，因为直接操作主存， 没有线程对工作内存和主存的同步。所以，volatile的使用场景是有限的，在有限的一些情形下可以使用 volatile 变量替代锁。要使 volatile 变量提供理想的线程安全,必须同时满足下面两个条件:
    1)对 变量的写操作不依赖于当前值。
    2)该变量没有包含在具有其他变量的不变式中
    volatile只保证了可见性，所以Volatile适合直接赋值的场景，如

    Java代码  收藏代码
    1. public class VolatileTest{  
    2.   public volatile int a;  
    3.   public void setA(int a){  
    4.       this.a=a;  
    5.   }  
    6. }  
     


    在没有volatile声明时，多线程环境下，a的最终值不一定是正确的，因为this.a=a;涉及到给a赋值和将a同步回主存的步骤，这个顺序可能被 打乱。如果用volatile声明了，读取主存副本到工作内存和同步a到主存的步骤，相当于是一个原子操作。所以简单来说，volatile适合这种场 景：一个变量被多个线程共享，线程直接给这个变量赋值。这是一种很简单的同步场景，这时候使用volatile的开销将会非常小。



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