java线程安全总结（一）

蔚落 2022-05-30 10:21 140阅读 0赞

原作大神地址：[ http://www.iteye.com/topic/806990/][http_www.iteye.com_topic_806990]

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][icon_star.png]

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][icon_star.png]

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][icon_star.png]

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][icon_star.png]

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][icon_star.png]

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][icon_star.png]

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][icon_star.png]

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][icon_star.png]

1.  **import** java.util.ArrayList;  
2.  **import** java.util.List;  
3.    
4.  **public** **class** Plate \{  
5.    
6.      List<Object> eggs = **new** ArrayList<Object>();  
7.    
8.      **public** **synchronized** Object getEgg() \{  
9.          **while**(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.         **while**(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. \}

执行结果：

Html代码   ![收藏代码][icon_star.png]

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][icon_star.png]

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][icon_star.png]

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。  
  
java线程安全总结（二）请看[http://www.iteye.com/topic/808550][http_www.iteye.com_topic_808550]

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