Java线程安全

Posted 2020-10-12

　　最近做笔试题，遇到了不少关于线程安全的题目，比如：

　　synchronized和volatile的区别是什么？

　　StringBuilder和StringBuffer的区别是什么？

　　HashMap和HashTable的区别是什么？等等......

　　这些问题的答案涉及到的，就是关于线程安全问题。首先先要对线程安全有个概念，怎样才叫线程安全。

线程安全和线程不安全：

　　线程安全指的是多个线程并发执行的时候，当一个线程访问该类的某个数据的时候，通过加锁的机制，保护数据，直至当前线程读取完，释放锁后，其他线程才能继续使用，我们认为这样是线程安全的。

　　有线程安全，自然就有线程不安全，线程不安全指的是，多个线程并发执行的时候，数据没有得到保护，可能会出现多个线程修改或使用某个数据，导致所得到的数据不正确，也就是脏数据。

 

　　了解完基本概念后，接下来要引用某大神从Java内存模型和线程同步机制方面来描述线程的安全性。

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。　

　　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)

　　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。
　　有序性：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，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。

　　举个例子1，现有一变量x=10，a线程执行x=x+1操作，b线程执行x=x-1操作，俩线程同时运行的时候，x的值是不确定的，有可能为9，也有可能为11，这就是多线程并发执行的顺序是不可预见导致的，所以要使线程安全，要保证a线程和b线程的有序执行，且执行的操作必须为原子操作。

　　原子操作：在多线程访问共享资源时，能够确保所有其他的进程（线程）都不在同一时间内访问相同的资源。原子操作（atomic operation）是不需要synchronized，这是Java多线程编程的老生常谈了。所谓原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作；这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何 context switch （切换到另一个线程）。

 

那么如何确保线程执行的有序性和可见性呢？

synchronized关键字

　　synchronized关键字可以解决有序性和可见性的问题，它保证了多个线程之间是互斥的，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。

　　常用用法：

Java代码　　

synchronized(lock) {
临界区代码
}

//例如：
public synchronized void method() {}

public static synchronized void method() {}

　　无论synchronized关键字是加在方法还是对象中，都是取对象当作锁，理论上每个对象都可以是一个锁。

　　对于public synchronized void method()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 method()，那么锁就是这个方法所在的class。

　　synchronized关键字有两种锁对象，一种是对象加锁，另一种是对类加锁，对类加锁，则类锁对类里的所有对象都起作用，而对象锁只是针对该类的一个指定的对象加锁，这个类的其它对象仍然可以使用已经对前一个对象加锁的synchronized方法。

　　例如：车站只剩一张票，A业务员和B业务员同时出票，执行public synchronized void sell()方法，那么结果就会出现，剩余票数为（-1）的情况，这就是对象锁导致的问题，其他对象仍然可以使用这个方法；

　　当把sell方法加上static后，锁的对象就是这个类，对于A业务员和B业务员来说，都要按顺序来操作业务，这样就不会出现剩余票数为负数的轻卡UN个了。

　　当一个对象是锁的时候，应该要被多个线程共享才是有意义的。这也得出一个结论：非线程安全！=不安全。

　　比如ArrayList就是线程不安全的，但是并非说多线程情况下就不用ArrayList，如果你的每一个线程都new了一个ArrayList对象，也就是对象是非共享的，线程之间不存在资源竞争，那么多线程执行的时候也是没有安全问题的。

　　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，当一个线程被唤醒 后，才会进入到就绪队列，等待cpu的调度。

　　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/消费者模式就是典型的同步锁问题，多线程执行过程除了操作是互斥的以外，往往也会出现线程之间互相协作的情况。

　　比方说，A机器人负责造车子，造好了车子，就放在仓库里，仓库每次只能放一辆车。

　　（1）起初，A机器人被运行，执行造车子make方法，造好了车子放在仓库后，没有马上关机（释放锁），而是唤醒了（notify）准备上班的（阻塞队列）B机器人，自己再下班（进入阻塞队列）

　　（2）B机器人获得同步锁，上班，开始把造好的车子运出仓库拿去出售，车子运出去后，它也没有马上溜了，而是唤醒了刚下班的A机器人继续造车子（赤裸裸的剥削，我也要卖车子）。

　　（3）A机器人发现仓库的车子被运走了，接到任务就只能继续开始造车子，造好车子把B机器人叫回来。

　　（4）B机器人卖车子，叫醒A机器人造车子。

　　。。。。。。

　　可以看出，在同步锁的作用下，造车子，卖车子，造车子，卖车子可以有序的进行，很愉快。

 

接下来要说的是另外一个关键字：volatile

volatile关键字

　　volatile同样也是Java同步的一种方法，只不过和synchronized锁相比，稍弱了点，它只能保证多线程执行的可见性，可不能保证有序性。

　　它的原理是不需要从主内存中复制一份副本到工作内存，而是直接对主内存的数据进行修改，这样，其他线程都能立马看到数据的修改。因此，volatile的使用范围要臂synchronized小，常用于直接赋值的情况，诸如例子1的情况就是不适用的。

 

最后需要注意的是，synchronized锁虽好，但是不能多用，会影响执行效率，阻塞队列的线程也会不断地尝试获取锁，消耗性能。更多关于synchronized和volatile的用法这里就不展开来说了，可以baidu一下详细的用法。

 

本文参考了http://www.iteye.com/topic/806990，比较容易理解，感谢大神。