关于java:万字详解-Java-线程安全面试必备

起源：blog.csdn.net/u014454538/article/details/98515807

1. Java 中的线程平安

• Java 线程平安：广义地认为是多线程之间共享数据的拜访。
• Java 语言中各种操作共享的数据有 5 种类型：不可变、相对线程平安、绝对线程平安、线程兼容、线程独立

① 不可变

• 不可变（Immutable）的对象肯定是线程平安的，不须要再采取任何的线程平安保障措施。
• 只有能正确构建一个不可变对象，该对象永远不会在多个线程之间呈现不统一的状态。
• 多线程环境下，该当尽量使对象成为不可变，来满足线程平安。

如何实现不可变？

• 如果共享数据是根本数据类型，应用 final 关键字对其进行润饰，就能够保障它是不可变的。
• 如果共享数据是一个对象，要保障对象的行为不会对其状态产生任何影响。
• String 是不可变的，对其进行 substring()、replace()、concat()等操作，返回的是新的 String 对象，原始的 String 对象的值不受影响。而如果对 StringBuffer 或者 StringBuilder 对象进行 substring()、replace()、append()等操作，间接对原对象的值进行扭转。
• 要构建不可变对象，须要将外部状态变量定义为 final 类型。如 java.lang.Integer 类中将 value 定义为 final 类型。

Java 面试题最全整顿：https://www.javastack.cn/mst/

private final int value;

常见的不可变的类型：

• final 关键字润饰的根本数据类型
• 枚举类型、String 类型
• 常见的包装类型：Short、Integer、Long、Float、Double、Byte、Character 等
• 大数据类型：BigInteger、BigDecimal

留神：原子类 AtomicInteger 和 AtomicLong 则是可变的。

对于汇合类型，能够应用 Collections.unmodifiableXXX() 办法来获取一个不可变的汇合。

• 通过 Collections.unmodifiableMap(map) 获的一个不可变的 Map 类型。
• Collections.unmodifiableXXX() 先对原始的汇合进行拷贝，须要对汇合进行批改的办法都间接抛出异样。

例如，如果取得的不可变 map 对象进行 put()、remove()、clear()操作，则会抛出 UnsupportedOperationException 异样。

② 相对线程平安

相对线程平安的实现，通常须要付出很大的、甚至不切实际的代价。

Java API 中提供的线程平安，大多数都不是相对线程平安。

例如，对于数组汇合 Vector 的操作，如 get()、add()、remove()都是有 synchronized 关键字润饰。有时调用时也须要手动增加同步伎俩，保障多线程的平安。

上面的代码看似不须要同步，理论运行过程中会报错。

import java.util.Vector;

/**
 * @Author: lucy
 * @Version 1.0
 */
public class VectorTest {public static void main(String[] args) {Vector<Integer> vector = new Vector<>();
        while(true){for (int i = 0; i < 10; i++) {vector.add(i);
            }
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {System.out.println("获取 vector 的第" + i + "个元素:" + vector.get(i));
                    }
                }
            }).start();
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {for (int i=0;i<vector.size();i++){System.out.println("删除 vector 中的第" + i+"个元素");
                        vector.remove(i);
                    }
                }
            }).start();
            while (Thread.activeCount()>20)
                return;
        }
    }
}

呈现 ArrayIndexOutOfBoundsException 异样，起因：某个线程恰好删除了元素 i，使得以后线程无法访问元素 i。

Exception in thread "Thread-1109" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: Array index out of range: 1
 at java.util.Vector.remove(Vector.java:831)
 at VectorTest$2.run(VectorTest.java:28)
 at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

须要将对元素的 get 和 remove 结构成同步代码块：

synchronized (vector){for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {System.out.println("获取 vector 的第" + i + "个元素:" + vector.get(i));
    }
}
synchronized (vector){for (int i=0;i<vector.size();i++){System.out.println("删除 vector 中的第" + i+"个元素");
        vector.remove(i);
    }
}

③ 绝对线程平安

• 绝对线程平安须要保障对该对象的单个操作是线程平安的，在必要的时候能够应用同步措施实现线程平安。
• 大部分的线程安全类都属于绝对线程平安，如 Java 容器中的 Vector、HashTable、通过 Collections.synchronizedXXX() 办法包装的汇合。

④ 线程兼容

• Java 中大部分的类都是线程兼容的，通过增加同步措施，能够保障在多线程环境中平安应用这些类的对象。
• 如常见的 ArrayList、HashTableMap 都是线程兼容的。

⑤ 线程对抗

• 线程对抗是指：无奈通过增加同步措施，实现多线程中的平安应用。
• 线程对抗的常见操作有：Thread 类的 suspend()和 resume()（曾经被 JDK 申明破除），System.setIn()和 System.setOut() 等。

2. Java 的枚举类型

通过 enum 关键字润饰的数据类型，叫枚举类型。

• 枚举类型的每个元素都有本人的序号，通常从 0 开始编号。
• 能够通过 values()办法遍历枚举类型，通过 name()或者 toString()获取枚举类型的名称
• 通过 ordinal()办法获取枚举类型中元素的序号

public class EnumData {public static void main(String[] args) {for (Family family : Family.values()) {System.out.println(family.name() + "：" + family.ordinal());
        }
    }
}

enum Family {GRADMOTHER, GRANDFATHER, MOTHER, FATHER, DAUGHTER, SON;}

能够将枚举类型看做一般的 class，在外面定义 final 类型的成员变量，便能够为枚举类型中的元素赋初值。

要想获取枚举类型中元素理论值，须要为成员变量增加 getter 办法。

尽管枚举类型的元素有了本人的理论值，然而通过 ordinal()办法获取的元素序号不会产生扭转。

public class EnumData {public static void main(String[] args) {for (Family family : Family.values()) {System.out.println(family.name() + "：理论值" + family.getValue() +
                    ", 理论序号" + family.ordinal());
        }
    }
}
enum Family {GRADMOTHER(3), GRANDFATHER(4), MOTHER(1), FATHER(2), DAUGHTER(5), SON(6);
    private final int value;
    Family(int value) {this.value = value;}
    public int getValue() {return value;}
}

3. Java 线程平安的实现

① 互斥同步

互斥同步（Mutex Exclusion & Synchronization）是一种常见的并发正确性保障伎俩。

• 同步：多个线程并发访问共享数据，保障共享数据同一时刻只被一个（或者一些，应用信号量）线程应用。
• 互斥：互斥是实现同步的一种伎俩，次要的互斥实现形式：临界区（Critical Section）、互斥量（Mutex）、信号量（Semaphore）。

同步与互斥的关系：

• 互斥是起因，同步是后果。
• 同步是目标，互斥是办法。

Java 中，最根本的实现互斥同步的伎俩是 synchronized 关键字，其次是 JUC 包中的 ReentrantLock。

对于 synchronized 关键字：

• 编译后的同步块，开始处会增加 monitorenter 指令，完结处或异样处会增加 monitorexit 指令。
• monitorenter 和 monitorexit 指令中都蕴含一个援用类型的参数，别离指向加锁或解锁的对象。如果是同步代码块，则为 synchronized 括号中明确指定的对象；如果为一般办法，则为以后实例对象；如果为静态方法，则为类对应的 class 对象。
• JVM 执行 monitorenter 指令时，要先尝试获取锁：如果对象没被锁定或者以后线程曾经领有该对象的锁，则锁计数器加 1；否则获取锁失败，进入阻塞状态，期待持有锁的线程开释锁。
• JVM 执行 monitorexit 指令时，锁计数器减 1，直到计数器的值为 0，锁被开释。（synchronized 是反对重进入的）
• 因为阻塞或者唤醒线程都须要从用户态（User Mode）切换到外围态（Kernel Mode），有时锁只会被持有很短的工夫，没有必要进行状态转换。能够让线程在阻塞之前先自旋期待一段时间，超时未获取到锁才进入阻塞状态，这样能够防止频繁的切入到外围态。其实，就是前面自旋锁的思维。

对于 ReentrantLock：

• 与 synchronized 关键字相比，它是 API 层面的互斥锁（lock()、unlock()、try…finally)。
• 与 synchronized 关键字相比，具备可中断、反对偏心与非公平性、可绑定多个 Condition 对象的高级性能。
• 因为 synchronized 关键字被优化，二者的性能差别并不是很大，如果不是想应用 ReentrantLock 的高级性能，优先思考应用 synchronized 关键字。

② 非阻塞同步

（1）CAS 概述

互斥同步最大的性能问题是线程的阻塞和唤醒，因而又叫阻塞同步。

互斥同步采纳乐观并发策略：

• 多线程并发访问共享数据时，总是认为只有不加正确的同步措施，必定会呈现问题。
• 无论共享数据是否存在竞争，都会执行加锁、用户态和心态的切换、保护锁计数器、查看是否有被阻塞的线程须要唤醒等操作。

随着硬件指令集的倒退，咱们能够采纳基于冲突检测的乐观并发策略：

• 先进行操作，如果不存在抵触（即没有其余线程争用共享数据），则操作胜利。
• 如果有其余线程争用共享数据，产生了抵触，应用其余的弥补措施。
• 常见的弥补措施：一直尝试，直到胜利为止，比方循环的 CAS 操作。

乐观并发策略的许多实现都不须要将线程阻塞，这种同步操作叫做非阻塞同步。

非阻塞同步依附的硬件指令集：前三条是比拟长远的指令，后两条是古代处理器新增的。

• 测试和设置（Test and Set)
• 获取并减少（Fetch and Increment）
• 替换（Swap）
• 比拟并替换（Compare and Swap，即 CAS）
• 加载链接 / 条件存储（Load Linked/ Store Conditional，即 LL/SC）

什么是 CAS？

• CAS，即 Compare and Swap，须要借助处理器的 cmpxchg 指令实现。
• CAS 指令须要三个操作数：内存地位 V（Java 中能够简略的了解为变量的内存地址）、旧的期待值 A、新值 B。
• CAS 指令执行时，当且仅当 V 合乎旧的预期值 A，处理器才用新值 B 更新 V 的值；否则，不执行更新。
• 不论是否更新 V 的值，都返回 V 的旧值，整个处理过程是一个原子操作。

原子操作：所谓的原子操作是指一个或一系列不可被中断的操作。

Java 中的 CAS 操作：

• Java 中的 CAS 操作由 sun.misc.Unsafe 中的 compareAndSwapInt()、compareAndSwapLong()等几个办法包装提供。理论无奈调用这些办法，须要采纳反射机制能力应用。
• 在理论的开发过程中，个别通过其余的 Java API 调用它们，如 JUC 包原子类中的 compareAndSet(expect, update)、getAndIncrement() 等办法。这些办法外部都应用了 Unsafe 类的 CAS 操作。
• Unsafe 类的 CAS 操作，通过 JVM 的即时编译器编译后，是一条与平台相干的 CAS 指令。

除了偏差锁，Java 中其余锁的实现形式都是用了循环的 CAS 操作。

（2）通过循环的 CAS 实现原子操作

通过 ++ i 或者 i ++ 能够实现计数器的自增，在多线程环境下，这样应用是非线程平安的。

public class UnsafeCount {
    private int i = 0;
    private static final int THREADS_COUNT = 200;

    public static void main(String[] args) {Thread[] threads = new Thread[THREADS_COUNT];
        UnsafeCount counter = new UnsafeCount();
        for (int i = 0; i < THREADS_COUNT; i++) {threads[i] = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {for (int j = 0; j < 10000; j++) {counter.count();
                    }
                }
            });
            threads[i].start();}
        while (Thread.activeCount() > 1) {Thread.yield();
        }
        System.out.println("多线程调用计数器 i，运行后的值为:" + counter.i);
    }

    public void count() {i++;}
}

运行以上的代码发现：当线程数量减少，每个线程调用计数器的次数变大时，每次运行的后果是谬误且不固定的。

为了实现切实一个多线程环境下、线程平安的计数器，须要应用 AtomicInteger 的原子自增运算。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class SafeCount {private AtomicInteger atomic = new AtomicInteger(0);
    private static final int THREAD_COUNT = 200;
    public static void main(String[] args) {SafeCount counter = new SafeCount();
        Thread[] threads = new Thread[THREAD_COUNT];
        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {threads[i] = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {for (int j=0;j<10000;j++){counter.count();
                    }
                }
            });
            threads[i].start();}
        while (Thread.activeCount()>1){Thread.yield();
        }
        System.out.println("多线程调用线程平安的计数器 atomic："+counter.atomic);
    }
    public void count() {
        // 调用 compareAnSet 办法，应用循环的 CAS 操作实现计数器的原子自增
        for (; ;) {int expect = atomic.get();
            int curVal = expect + 1;
            if (atomic.compareAndSet(expect, curVal)) {break;}
        }
    }
}

与非线程平安的计数器相比，线程平安的计数器有以下特点：

• 将 int 类型的计数器变量 i，更换成具备 CAS 操作的 AtomicInteger 类型的计数器变量 atomic。
• 进行自增运算时，通过循环的 CAS 操作实现 atomic 的原子自增。
• 先通过 atomic.get()获取 expect 的值，将 expect 加一失去新值，而后通过 atomic.compareAndSet(expect, curVal) 这一办法实现 CAS 操作。
• 其中 compareAndSet()返回的 true 或者 false，示意此次 CAS 操作是否胜利。如果返回 false，则不停地反复执行 CAS 操作，直到操作胜利。

下面的 count 办法实现的 AtomicInteger 原子自增，能够只须要调用 incrementAndGet()一个办法就能实现。

public void count() {
    // 调用 incrementAndGet 办法，实现 AtomicInteger 的原子自增
    atomic.incrementAndGet();}

因为 incrementAndGet()办法，封装了通过循环的 CAS 操作实现 AtomicInteger 原子自增的代码。

public final int incrementAndGet() {return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
    return var5;
}

（3）CAS 操作存在的问题

1. ABA 问题

• 在执行 CAS 操作更新共享变量的值时，如果一个值原来是 A，被其余线程改成了 B，而后又改回成了 A。对于该 CAS 操作来说，它齐全感触不到共享变量值的变动。这种操作破绽称为 CAS 操作的 ABA 问题。
• 解决该问题的思路是，为变量增加版本号，每次更新时版本号递增。这种场景下就成了 1A –> 2B –> 3A。CAS 操作就能检测到共享变量的 ABA 问题了。
• JUC 包中，也提供了相应的带标记的原子援用类 AtomicStampedReference 来解决 ABA 问题。
• AtomicStampedReference 的 compareAndSet()办法会首先比拟期待的援用是否等于以后援用，而后查看期待的标记是否等于以后标记。如果全副相等，则以原子操作的形式将新的援用和新的标记更新到以后值中。
• 然而 AtomicStampedReference 目前比拟鸡肋，如果想解决 AB 问题，能够应用锁。

2. 循环工夫过长，开销大

循环的 CAS 操作如果长时间不胜利，会给 CPU 带来十分大的执行开销。

3. 只能保障一个共享变量的原子操作

• 只对一个共享变量执行操作时，能够通过循环的 CAS 操作实现。如果是多个共享变量，循环的 CAS 操作无奈保障操作的原子性。
• 取巧的操作：将多个共享变量合为一个变量进行 CAS 操作。JDK1.5 开始，提供了 AtomicReference 类保障援用对象之间的原子性，能够将多个变量放在一个对象中进行 CAS 操作。

③ 无同步计划

同步只是保障共享数据争用时正确性的一种伎俩，如果不存在共享数据，天然毋庸任何同步措施。

（1）栈关闭

多个线程拜访同一个办法的局部变量时，不会呈现线程平安问题。

因为办法中的局部变量不会逃出该办法而被其余线程拜访，因而能够看做 JVM 栈中数据，属于线程公有。

（2）可重入代码（Reentrant Code）

可重入代码又叫纯代码（Pure Code），可在代码执行的任何时候中断他它，转去执行另外一段代码（包含递归调用它自身），控制权返回后，原来的程序不会呈现任何谬误。

所有可重入的代码都是线程平安，并非所有线程平安的代码都是可重入的。

可重入代码的独特特色：

• 不依赖存储在堆上的数据和专用的系统资源
• 用到的状态量都由参数中传入
• 不调用非可重用的办法

如何判断代码是否具备可重入性？如果一个办法，它的返回后果是可预测的。只有输出了雷同的数据，就都能返回雷同的后果，那它就满足可重入性，当然也就是线程平安的。

（3）线程本地存储（TLS）

线程本地存储（Thread Local Storage）：

• 如果一段代码中所须要的数据必须与其余代码共享，那就看看这些共享数据的代码是否能保障在同一个线程中执行。
• 如果能保障，咱们就能够把共享数据的可见范畴限度在同一个线程内。
• 这样，毋庸同步也能保障线程之间不呈现数据争用的问题。

TLS 的重要利用实例：经典的 Web 交互模型中，一个申请对应一个服务器线程，使得 Web 服务器利用能够应用。

Java 中没有关键字能够将一个变量定义为线程所独享，然而 Java 中创立了 java.lang.ThreadLocal 类提供线程本地存储性能。

• 每一个线程外部都蕴含一个 ThreadLocalMap 对象，该对象将 ThreadLocal 对象的 hashCode 值作为 key，即 ThreadLocal.threadLocalHashCode，将本地线程变量作为 value，形成键值对。
• ThreadLocal 对象是以后线程 ThreadLocalMap 对象的拜访入口，通过 threadLocal.set() 为本地线程增加独享变量；通过 threadLocal.get() 获取本地线程独享变量的值。
• ThreadLocal、ThreadLocalMap、Thread 的关系：Thread 对象中蕴含 ThreadLocalMap 对象，ThreadLocalMap 对象中蕴含多个键值对，每个键值对的 key 是 ThreadLocal 对象的 hashCode，value 是本地线程变量。

ThreadLocal 的编程实例：

• 想为某个线程增加本地线程变量，必须通过 ThreadLocal 对象在该线程中进行增加，结构出的键值对主动存入该线程的 map 中；
• 想要获取某个线程的本地线程变量，必须在该线程中获取，会主动查问该线程的 map，取得 ThreadLocal 对象对应的 value。
• 通过 ThreadLocal 对象反复为某个线程增加键值对，会笼罩之前的 value。

public class TLS {public static void main(String[] args) {ThreadLocal<String> threadLocal1 = new ThreadLocal<>();
        ThreadLocal<Integer> threadLocal2 = new ThreadLocal<>();
        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                // 设置以后线程的本地线程变量
                threadLocal1.set("thread1");
                threadLocal2.set(1);
                System.out.println(threadLocal1.get() + ":" + threadLocal2.get());
                // 应用结束后要删除，防止内存泄露
                threadLocal1.remove();
                threadLocal2.remove();}
        });
        Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {threadLocal1.set("thread2");
                threadLocal2.set(2);
                System.out.println(threadLocal1.get() + ":" + threadLocal2.get());
                threadLocal1.remove();
                threadLocal2.remove();}
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
        // 没有通过 ThreadLocal 为主线程增加过本地线程变量，获取到的内容都是 null
        System.out.println(threadLocal1.get()+":"+threadLocal2.get());
    }
}

对 ThreadLocal 的正确理解：

• ThreadLocal 实用于线程须要有本人的实例变量，该实例变量能够在多个办法中被应用，然而不能被其余线程共享的场景。
• 因为不存在数据共享，何谈同步？因而 ThreadLocal 从实践上讲，不是用来解决多线程并发问题的。

ThreadLocal 的实现：

最原始的想法：ThreadLocal 保护线程与实例的映射。既然通过 ThreadLocal 对象为线程增加本地线程变量，那就将 ThreadLocalMap 放在 ThreadLocal 中。

原始想法存在的缺点：多线程并发拜访 ThreadLocal 中的 Map，须要增加锁。这是，JDK 未采纳该计划的一个起因。

优化后的办法：Thread 保护 ThreadLocal 与实例的映射。Map 是每个线程所公有，只能在以后线程通过 ThreadLocal 对象拜访本身的 Map。不存在多线程并发拜访同一个 Map 的状况，也就不须要锁。

优化后存在内存泄露的状况：JDK1.8 中，ThreadLocalMap 每个 Entry 对 ThreadLocal 对象是弱援用，对每个实例是强援用。当 ThreadLocal 对象被回收后，该 Entry 的键变成 null，但 Entry 无奈被移除。使得实例被 Entry 援用无奈回收，造成内存泄露。

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