并发编程之多线程线程安全

jiezi

5 年前

当多个线程同时共享，同一个全局变量或静态变量，做写的操作时，可能会发生数据冲突问题，也就是线程安全问题。但是做读操作是不会发生数据冲突问题。

案例: 需求现在有 100 张火车票，有两个窗口同时抢火车票，请使用多线程模拟抢票效果。

代码:

public class ThreadTrain implements Runnable {
    private int trainCount = 100;

    @Override
    public void run() {while (trainCount > 0) {
            try {Thread.sleep(50);
            } catch (Exception e) { }
            sale();}
    }

    public void sale() {if (trainCount > 0) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ", 出售第" + (100 - trainCount + 1) + "张票");
            trainCount--;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {ThreadTrain threadTrain = new ThreadTrain();
        Thread t1 = new Thread(threadTrain, "①号");
        Thread t2 = new Thread(threadTrain, "②号");
        t1.start();
        t2.start();}

}

运行结果:

一号窗口和二号窗口同时出售火车第九九张, 部分火车票会重复出售。

结论发现，多个线程共享同一个全局成员变量时，做写的操作可能会发生数据冲突问题。

将可能会发生数据冲突问题 (线程不安全问题)，只能让当前一个线程进行执行。代码执行完成后释放锁，然后才能让其他线程进行执行。这样的话就可以解决线程不安全问题。

这样多个线程共享同一个资源, 不会受到其他线程的干扰。

Java 提供了一种内置的锁机制来支持原子性

每一个 Java 对象都可以用作一个实现同步的锁，称为内置锁，线程进入同步代码块之前自动获取到锁，代码块执行完成正常退出或代码块中抛出异常退出时会释放掉锁

内置锁为互斥锁，即线程 A 获取到锁后，线程 B 阻塞直到线程 A 释放锁，线程 B 才能获取到同一个锁

内置锁使用 synchronized 关键字实现，synchronized 关键字有两种用法：

1. 修饰需要进行同步的方法（所有访问状态变量的方法都必须进行同步），此时充当锁的对象为调用同步方法的对象

2. 同步代码块和直接使用 synchronized 修饰需要同步的方法是一样的，但是锁的粒度可以更细，并且充当锁的对象不一定是 this，也可以是其它对象，所以使用起来更加灵活

public void sale() {// 同步代码块 (this 明锁),
        synchronized (this) {if (trainCount > 0) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ", 出售第" + (100 - trainCount + 1) + "张票");
                trainCount--;
            }
        }
    }

public synchronized void sale() {if (trainCount > 0) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ", 出售第" + (100 - trainCount + 1) + "张票");
            trainCount--;
        }
    }

方法上加上 static 关键字，使用 synchronized 关键字修饰或者使用类.class 文件。

静态的同步函数使用的锁是该函数所属字节码文件对象

可以用 getClass 方法获取，也可以用当前类名.class 表示。

public static void sale() {synchronized (ThreadTrain3.class) {if (trainCount > 0) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ", 出售第" + (100 - trainCount + 1) + "张票");
                trainCount--;
            }
        }
}

synchronized 修饰方法使用锁是当前 this 锁。

synchronized 修饰静态方法使用锁是当前类的字节码文件

同步中嵌套同步, 导致锁无法释放

class Thread009 implements Runnable {
    private int trainCount = 100;
    private Object oj = new Object();
    public boolean flag = true;

    public void run() {if (flag) {while (trainCount > 0) {synchronized (oj) {
                    try {Thread.sleep(10);
                    } catch (Exception e) {// TODO: handle exception}
                    sale();}

            }
        } else {while (trainCount > 0) {sale();
            }

        }

    }

    public synchronized void sale() {synchronized (oj) {
            try {Thread.sleep(10);
            } catch (Exception e) { }
            if (trainCount > 0) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "," + "出售第" + (100 - trainCount + 1) + "票");
                trainCount--;
            }
        }
    }
}

public class Test009 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread009 threadTrain = new Thread009();
        Thread t1 = new Thread(threadTrain, "窗口 1");
        Thread t2 = new Thread(threadTrain, "窗口 2");
        t1.start();
        Thread.sleep(40);
        threadTrain.flag = false;
        t2.start();}
}}

ThreadLocal 提高一个线程的局部变量，访问某个线程拥有自己局部变量。

当使用 ThreadLocal 维护变量时，ThreadLocal 为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本，所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会影响其它线程所对应的副本。

ThreadLocal 的接口方法

ThreadLocal 类接口很简单，只有 4 个方法，我们先来了解一下：

void set(Object value) 设置当前线程的线程局部变量的值。
public Object get() 该方法返回当前线程所对应的线程局部变量。
public void remove() 将当前线程局部变量的值删除，目的是为了减少内存的占用，该方法是 JDK 5.0 新增的方法。需要指出的是，当线程结束后，对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收，所以显式调用该方法清除线程的局部变量并不是必须的操作，但它可以加快内存回收的速度。
protected Object initialValue() 返回该线程局部变量的初始值，该方法是一个 protected 的方法，显然是为了让子类覆盖而设计的。这个方法是一个延迟调用方法，在线程第 1 次调用 get() 或 set(Object) 时才执行，并且仅执行 1 次。ThreadLocal 中的缺省实现直接返回一个 null。


class Res {
    // 生成序列号共享变量
    public static Integer count = 0;
    public static ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<Integer>() {protected Integer initialValue() {return 0;};

    };

    public Integer getNum() {int count = threadLocal.get() + 1;
        threadLocal.set(count);
        return count;
    }
}

public class ThreadLocaDemo2 extends Thread {
    private Res res;

    public ThreadLocaDemo2(Res res) {this.res = res;}

    @Override
    public void run() {for (int i = 0; i < 3; i++) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---" + "i---" + i + "--num:" + res.getNum());
        }

    }

    public static void main(String[] args) {Res res = new Res();
        ThreadLocaDemo2 threadLocaDemo1 = new ThreadLocaDemo2(res);
        ThreadLocaDemo2 threadLocaDemo2 = new ThreadLocaDemo2(res);
        ThreadLocaDemo2 threadLocaDemo3 = new ThreadLocaDemo2(res);
        threadLocaDemo1.start();
        threadLocaDemo2.start();
        threadLocaDemo3.start();}
}

ThreadLoca 实现原理

ThreadLoca 通过 map 集合

Map.put(“当前线程”, 值)；

Java 内存结构（JVM），

原子性（保证线程安全、保持数据一致性）；

可见性（某个线程修改全局变量的时候，其他的线程也能获取修改后的变量）

有序性

即一个操作或者多个操作要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。

一个很经典的例子就是银行账户转账问题：

比如从账户 A 向账户 B 转 1000 元，那么必然包括 2 个操作：从账户 A 减去 1000 元，往账户 B 加上 1000 元。这 2 个操作必须要具备原子性才能保证不出现一些意外的问题。

我们操作数据也是如此，比如 i = i+1；其中就包括，读取 i 的值，计算 i，写入 i。这行代码在 Java 中是不具备原子性的，则多线程运行肯定会出问题，所以也需要我们使用同步和 lock 这些东西来确保这个特性了。

原子性其实就是保证数据一致、线程安全一部分，

当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。

若两个线程在不同的 cpu，那么线程 1 改变了 i 的值还没刷新到主存，线程 2 又使用了 i，那么这个 i 值肯定还是之前的，线程 1 对变量的修改线程没看到这就是可见性问题。

程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

一般来说处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。如下：

int a = 10; // 语句 1

int r = 2; // 语句 2

a = a + 3; // 语句 3

r = a*a; // 语句 4

则因为重排序，他还可能执行顺序为 2-1-3-4，1-3-2-4

但绝不可能 2-1-4-3，因为这打破了依赖关系。

显然重排序对单线程运行是不会有任何问题，而多线程就不一定了，所以我们在多线程编程时就得考虑这个问题了。

共享内存模型指的就是 Java 内存模型 (简称 JMM)，JMM 决定一个线程对共享变量的写入时, 能对另一个线程可见。从抽象的角度来看，JMM 定义了线程和主内存之间的抽象关系：线程之间的共享变量存储在主内存（main memory）中，每个线程都有一个私有的本地内存（local memory），本地内存中存储了该线程以读 / 写共享变量的副本。本地内存是 JMM 的一个抽象概念，并不真实存在。它涵盖了缓存，写缓冲区，寄存器以及其他的硬件和编译器优化。

Java 内存模型（JMM java memory model），jmm 决定一个线程对共享变量的写入时，能对另一个线程是否可见；

主内存：共享变量；

本地内存：共有变量的副本；

从上图来看，线程 A 与线程 B 之间如要通信的话，必须要经历下面 2 个步骤：

首先，线程 A 把本地内存 A 中更新过的共享变量刷新到主内存中去。
然后，线程 B 到主内存中去读取线程 A 之前已更新过的共享变量。

可见性也就是说一旦某个线程修改了该被 volatile 修饰的变量，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，可以立即获取修改之后的值。

在 Java 中为了加快程序的运行效率，对一些变量的操作通常是在该线程的寄存器或是 CPU 缓存上进行的，之后才会同步到主存中，而加了 volatile 修饰符的变量则是直接读写主存。

Volatile 保证了线程间共享变量的及时可见性，但不能保证原子性：

class ThreadVolatileDemo extends Thread {
    public volatile   boolean flag = true;
    @Override
    public void run() {System.out.println("开始执行子线程....");
        while (flag) { }
        System.out.println("线程停止");
    }
    public void setRuning(boolean flag) {this.flag = flag;}

}

public class ThreadVolatile {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {ThreadVolatileDemo threadVolatileDemo = new ThreadVolatileDemo();
        threadVolatileDemo.start();
        Thread.sleep(3000);
        threadVolatileDemo.setRuning(false);
        System.out.println("flag 已经设置成 false");
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(threadVolatileDemo.flag);

    }
}

Volatile 与 Synchronized 区别

从而我们可以看出 volatile 虽然具有可见性但是并不能保证原子性。
性能方面，synchronized 关键字是防止多个线程同时执行一段代码，就会影响程序执行效率，而 volatile 关键字在某些情况下性能要优于 synchronized。

但是要注意 volatile 关键字是无法替代 synchronized 关键字的，因为 volatile 关键字无法保证操作的原子性。

并发编程之多线程线程安全

一、什么是线程安全？

为什么有线程安全问题？

二、线程安全解决办法:

1、使用多线程之间同步 synchronized 或使用锁 (lock)。

2、内置的锁

同步代码块 synchronized

同步方法

静态同步函数

三、多线程死锁

四、Threadlocal

六、多线程有三大特性

什么是原子性

什么是可见性

什么是有序性

七、Java 内存模型

八、Volatile