并发编程——共享模型之管程
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了并发编程——共享模型之管程相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
0). 前言
虽然写代码的大多数时候都没有new Thread()，但是tomcat是多线程的，所以项目上线后，每一个接口都面临着并发问题，所以并发线程还是很重要的，无处不在。
1). 共享问题
用代码就是这么描述的：
import org.junit.jupiter.api.Test;
public class Problem
static int count = 0;
@Test
public void test() 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--;
);
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println(count);
以上的结果可能是正数、负数、零。为什么呢？因为 Java 中对静态变量的自增，自减并不是原子操作，要彻底理解，必须从字节码来进行分析。例如对于 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
而对应 i-- 也是类似：
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：
如果是单线程以上 8 行代码是顺序执行（不会交错）没有问题：
但多线程下这 8 行代码可能交错运行：
出现负数的情况：
出现正数的情况：
临界区 Critical Section ：
- 一个程序运行多个线程本身是没有问题的
- 问题出在多个线程访问共享资源
- 多个线程读共享资源其实也没有问题
- 在多个线程对共享资源读写操作时发生指令交错，就会出现问题
- 一段代码块内如果存在对共享资源的多线程读写操作，称这段代码块为临界区
static int counter = 0;
static void increment()
// 临界区
counter++;
static void decrement()
// 临界区
counter--;
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
2). synchronized
为了避免临界区的竞态条件发生，有多种手段可以达到目的。
- 阻塞式的解决方案：synchronized，Lock
- 非阻塞式的解决方案：原子变量
这里使用阻塞式的解决方案：synchronized，来解决上述问题，即俗称的【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。
注意，虽然 java 中互斥和同步都可以采用 synchronized 关键字来完成，但它们还是有区别的：
- 互斥是保证临界区的竞态条件发生，同一时刻只能有一个线程执行临界区代码
- 同步是由于线程执行的先后、顺序不同、需要一个线程等待其它线程运行到某个点
synchronized语法：
synchronized(对象) // 线程1， 线程2(blocked)
临界区
使用示例如下：
import org.junit.jupiter.api.Test;
public class Synchronized
static int counter = 0;
static final Object lock = new Object();
@Test
public void test() throws InterruptedException
Thread t1 = new Thread(() ->
for (int i = 0; i < 5000; i++)
synchronized (lock)
counter++;
, "t1");
Thread t2 = new Thread(() ->
for (int i = 0; i < 5000; i++)
synchronized (lock)
counter--;
, "t2");
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println(counter);
你可以做这样的类比：
- synchronized(对象) 中的对象，可以想象为一个房间（room），有唯一入口（门）房间只能一次进入一人进行计算，线程 t1，t2 想象成两个人
- 当线程 t1 执行到 synchronized(room) 时就好比 t1 进入了这个房间，并锁住了门拿走了钥匙，在门内执行count++ 代码
- 这时候如果 t2 也运行到了 synchronized(room) 时，它发现门被锁住了，只能在门外等待，发生了上下文切换，阻塞住了
- 这中间即使 t1 的 cpu 时间片不幸用完，被踢出了门外（不要错误理解为锁住了对象就能一直执行下去哦），这时门还是锁住的，t1 仍拿着钥匙，t2 线程还在阻塞状态进不来，只有下次轮到 t1 自己再次获得时间片时才能开门进入
- 当 t1 执行完 synchronized 块内的代码，这时候才会从 obj 房间出来并解开门上的锁，唤醒 t2 线程把钥匙给他。t2 线程这时才可以进入 obj 房间，锁住了门拿上钥匙，执行它的 count-- 代码
用图表示如下：
synchronized 实际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。
上面代码的面向对象的改进：
import org.junit.jupiter.api.Test;
public class Synchronized
Room room = new Room();
@Test
public void test() throws InterruptedException
Thread t1 = new Thread(() ->
for (int i = 0; i < 5000; i++)
room.increment();
, "t1");
Thread t2 = new Thread(() ->
for (int i = 0; i < 5000; i++)
room.decrement();
, "t2");
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println(room.getCounter());
class Room
private int counter = 0;
public void increment()
synchronized (this)
counter++;
public void decrement()
synchronized (this)
counter--;
public int getCounter()
synchronized (this)
return counter;
synchronized也可以修饰方法：
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)
synchronized关键字最主要有以下3种应用方式，下面分别介绍
- 修饰实例方法，作用于当前实例加锁，进入同步代码前要获得当前实例的锁
- 修饰静态方法，作用于当前类对象加锁，进入同步代码前要获得当前类对象的锁
- 修饰代码块，指定加锁对象，对给定对象加锁，进入同步代码库前要获得给定对象的锁。
可以认为，加锁对象本身可以是任何对象，但必须要求互斥双方的锁是同一把锁，即同一个对象。至于原因可以看下文的Monitor
以下是线程八锁，其实就是考察 synchronized 锁住的是哪个对象，可以有利于对锁的认识：
3). 变量线程安全分析
成员变量和静态变量是否线程安全？
- 局部变量是线程安全的
- 但局部变量引用的对象则未必
- 如果该对象没有逃离方法的作用访问，它是线程安全的
- 如果该对象逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全
局部变量线程安全分析:
public static void test1()
int i = 10;
i++;
每个线程调用 test1() 方法时局部变量 i，会在每个线程的栈帧内存中被创建多份，因此不存在共享
先看一个成员变量的例子:
class ThreadUnsafe
ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
public void method1(int loopNumber)
for (int i = 0; i < loopNumber; i++)
// 临界区, 会产生竞态条件
method2();
method3();
// 临界区
private void method2()
list.add("1");
private void method3()
list.remove(0);
执行：
static final int THREAD_NUMBER = 2;
static final int LOOP_NUMBER = 200;
public static void main(String[] args)
ThreadUnsafe test = new ThreadUnsafe();
for (int i = 0; i < THREAD_NUMBER; i++)
new Thread(() ->
test.method1(LOOP_NUMBER);
, "Thread" + i).start();
其中一种情况是，如果线程2 还未 add，线程1 remove 就会报错。
分析：
- 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 list 修改为局部变量就不会有问题了：
class ThreadSafe
public final void method1(int loopNumber)
ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < loopNumber; i++)
method2(list);
method3(list);
private void method2(ArrayList<String> list)
list.add("1");
private void method3(ArrayList<String> list)
list.remove(0);
分析：
- list 是局部变量，每个线程调用时会创建其不同实例，没有共享
- 而 method2 的参数是从 method1 中传递过来的，与 method1 中引用同一个对象
- method3 的参数分析与 method2 相同
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
- 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，即
class ThreadSafe
public final void method1(int loopNumber)
ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < loopNumber; i++)
method2(list);
method3(list);
private void method2(ArrayList<String> list)
list.add("1");
private 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();
常见线程安全类：
- String
- Integer
- StringBuffer
- Random
- Vector
- Hashtable
- java.util.concurrent 包下的类
这里说它们是线程安全的是指，多个线程调用它们同一个实例的某个方法时，是线程安全的。也可以理解为：
Hashtable table = new Hashtable();
new Thread(()->
table.put("key", "value1");
).start();
new Thread(()->
table.put("key", "value2");
).start();
- 它们的每个方法是原子的
- 但注意它们多个方法的组合不是原子的，见后面分析
以下是线程安全类方法的组合示例，是不安全的：
Hashtable table = new Hashtable();
// 线程1，线程2
if( table.get("key") == null)
table.put("key", value);
不可变类线程安全性：String、Integer 等都是不可变类，因为其内部的状态不可以改变，因此它们的方法都是线程安全的
接下来有7道实例分析，但因为那些实例都建立在servlet请求的基础上，因此在此之前，先需要了解一下Servlet运行时的机制，当然我也概括不好，只能用一些实例去意会：
然后我就写下了这些代码进行测试
可见因为tomcat是多线程，代码运行后，每次请求的时候都会执行一次对应controller方法，而成员变量是共享的
实例分析
例1：
public class MyServlet extends HttpServlet
// 是否安全？（不安全：HashMap不是线程安全类）
Map<String,Object> map = new HashMap<>();
// 是否安全（安全：不可变类）？
String S1 = "...";
// 是否安全（安全：不可变类）？
final String S2 = "...";
// 是否安全（不安全）？
Date D1 = new Date();
// 是否安全（不安全：final修饰只是引用地址不变，但其属性还是可以变的）？
final Date D2 = new Date();
public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)
// 使用上述变量
例2：
public class MyServlet extends HttpServlet
// 是否安全？（不安全）
private UserService userService = new UserServiceImpl();
public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)
userService.update(...);
public class UserServiceImpl implements UserService
// 记录调用次数
private int count = 0;
public void update()
// ...
count++;
例3：
@Aspect
@Component
public class MyAspect
// 是否安全？（不安全：bean默认singleton作用域，是单例模式，有并发修改问题）
private long start = 0L如何避免可怕的中年危机？成功入职阿里