java線程安全

轉載http://blog.csdn.net/yangaming/article/details/8634806

java的線程安全的問題：其實就是控制多個線程對某個資源的有序訪問或者修改。

java的內存模型主要是解決兩個問題：（1）可見性（2）有序性

（1）可見性：多個線程之間是不能相互傳遞數據通信的，他們之間只能通過共享變量來進行溝通。java的內存模型規定了jvm有主存，主存是多個線程共享的。當new一個對象的時候，也是被分配在主存當中，每個線程都有自己的工作內存，工作線程存儲了主存的某些對象的副本，淡然縣城的工作內存大小是有限制的。

當線程操作某個對象的時候，執行的順序如下：

（1）從主存複製變量到當前工作內存（read and load）

（2）執行代碼，改變共享變量值（use and assign ）

（3）用工作內存的數據刷新主存的相關內容（store and write)

(3) 用工作內存數據刷新主存相關內容 (store and write)

JVM規範定義了線程對主存的操作指令：read，load，use，assign，store，write。當一個共享變量在多個線程的工作

內存中都有副本時，如果一個線程修改了這個共享變量，那麼其他線程應該能夠看到這個被修改後的值，這就是多線程的可見性問題。

(2)有序性：線程在引用變量的時候不能直接從主存中引用，如果線程的工作內存中沒有改變量，則會從主存中拷貝一個副本到工作內存中。這個過程爲read-load,完成後線程會引用該副本。當同一線程再度引用該字段的時候，有可能重新從主存中獲取變量的副本（read-load-use），也有可能直接引用原來的副本(use).也就是說read/load/use順序可以由Jvm實現系統決定。線程不能直接爲主存中的字段賦值，它會將值指定給工作內存中的變量副本（assign）,

完成後這個變量副本會同步到主存儲區(store-write)，至於何時同步過去，根據JVM實現系統決定.有該字段,則會從主

內存中將該字段賦值到工作內存中,這個過程爲read-load,完成後線程會引用該變量副本，

當同一線程多次重複對字段賦值時,比如：

for(int i=0;i<10;i++)
     a++;

線程有可能只對工作內存中的副本進行賦值,只到最後一次賦值後才同步到主存儲區，所以assign,store,weite順序

可以由JVM實現系統決定。假設有一個共享變量x，線程a執行x=x+1。從上面的描述中可以知道x=x+1並不是一個

原子操作，它的執行過程如下

1 從主存中讀取變量x副本到工作內存 
2 給x加1 
3 將x加1後的值寫回主存

如果另外一個線程b執行x=x-1，執行過程如下： 

1 從主存中讀取變量x副本到工作內存 
2 給x減1 
3 將x減1後的值寫回主

那麼顯然，最終的x的值是不可靠的。假設x現在爲10，線程a加1，線程b減1，從表面上看，似乎最終x還是爲10，

但是多線程情況下會有這種情況發生：

1：線程a從主存讀取x副本到工作內存，工作內存中x值爲10 
2：線程b從主存讀取x副本到工作內存，工作內存中x值爲10 
3：線程a將工作內存中x加1，工作內存中x值爲11 
4：線程a將x提交主存中，主存中x爲11 
5：線程b將工作內存中x值減1，工作內存中x值爲9 
6：線程b將x提交到中主存中，主存中x爲9 

同樣，x有可能爲11，如果x是一個銀行賬戶，線程a存款，線程b扣款，顯然這樣是有嚴重問題的，要解決這個問題，

必須保證線程a和線程b是有序執行的，並且每個線程執行的加1或減1是一個原子操作。看看下面代碼：

[java] view plain copy

public class Account {

    private int balance;

    public Account(int balance) {
        this.balance = balance;
    }

    public int getBalance() {
        return balance;
    }

    public void add(int num) {
        balance = balance + num;
    }

    public void withdraw(int num) {
        balance = balance - num;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Account account = new Account(1000);
        Thread a = new Thread(new AddThread(account, 20), "add");
        Thread b = new Thread(new WithdrawThread(account, 20), "withdraw");
        a.start();
        b.start();
        a.join();
        b.join();
        System.out.println(account.getBalance());
    }

    static class AddThread implements Runnable {
        Account account;
        int     amount;

        public AddThread(Account account, int amount) {
            this.account = account;
            this.amount = amount;
        }

        public void run() {
            for (int i = 0; i < 200000; i++) {
                account.add(amount);
            }
        }
    }

    static class WithdrawThread implements Runnable {
        Account account;
        int     amount;

        public WithdrawThread(Account account, int amount) {
            this.account = account;
            this.amount = amount;
        }

        public void run() {
            for (int i = 0; i < 100000; i++) {
                account.withdraw(amount);
            }
        }
    }
}

第一次執行結果爲10200，第二次執行結果爲1060，每次執行的結果都是不確定的，因爲線程的執行順序

是不可預見的。這是java同步產生的根源，synchronized關鍵字保證了多個線程對於同步塊是互斥的，

synchronized作爲一種同步手段，解決java多線程的執行有序性和內存可見性，而volatile關鍵字之解決

多線程的內存可見性問題。後面將會詳細介紹。

synchronized關鍵字 

 上面說了，java用synchronized關鍵字做爲多線程併發環境的執行有序性的保證手段之一。當一段代碼會修改共享變量，

這一段代碼成爲互斥區或臨界區，爲了保證共享變量的正確性，synchronized標示了臨界區。典型的用法如下：

synchronized(鎖){
     臨界區代碼
}

爲了保證銀行賬戶的安全，可以操作賬戶的方法如下：

public synchronized void add(int num) {
     balance = balance + num;
}
public synchronized void withdraw(int num) {
     balance = balance - num;
}

剛纔不是說了synchronized的用法是這樣的嗎：

synchronized(鎖){
臨界區代碼
}

那麼對於public synchronized void add(int num)這種情況，意味着什麼呢？其實這種情況，鎖就是這個方法所在的對象。

同理，如果方法是public  static synchronized void add(intnum)，那麼鎖就是這個方法所在的class。

        理論上，每個對象都可以做爲鎖，但一個對象做爲鎖時，應該被多個線程共享，這樣才顯得有意義，在併發環境下，

一個沒有共享的對象作爲鎖是沒有意義的。假如有這樣的代碼：

public class ThreadTest{
  public void test(){
     Object lock=new Object();
     synchronized (lock){
        //do something
     }
  }
}

lock變量作爲一個鎖存在根本沒有意義，因爲它根本不是共享對象，每個線程進來都會執行Object lock=new Object();

每個線程都有自己的lock，根本不存在鎖競爭。

每個鎖對象都有兩個隊列，一個是就緒隊列，一個是阻塞隊列，就緒隊列存儲了將要獲得鎖的線程，阻塞隊列存儲了

被阻塞的線程，當一個被線程被喚醒(notify)後，纔會進入到就緒隊列，等待cpu的調度。當一開始線程a第一次執行

account.add方法時，jvm會檢查鎖對象account的就緒隊列是否已經有線程在等待，如果有則表明account的鎖已經

被佔用了，由於是第一次運行，account的就緒隊列爲空，所以線程a獲得了鎖，執行account.add方法。如果恰好在

這個時候，線程b要執行account.withdraw方法，因爲線程a已經獲得了鎖還沒有釋放，所以線程b要進入account的

就緒隊列，等到得到鎖後纔可以執行。一個線程執行臨界區代碼過程如下：

1獲得同步鎖

2清空工作內存

3從主存拷貝變量副本到工作內存

4對這些變量計算

5將變量從工作內存寫回到主存

6釋放鎖

可見，synchronized既保證了多線程的併發有序性，又保證了多線程的內存可見性。

生產者/消費者模式

生產者/消費者模式其實是一種很經典的線程同步模型，很多時候，並不是光保證多個線程對某共享資源操作的互斥性就夠了，

往往多個線程之間都是有協作的假設有這樣一種情況，有一個桌子，桌子上面有一個盤子，盤子裏只能放一顆雞蛋，

A專門往盤子裏放雞蛋，如果盤子裏有雞蛋，則一直等到盤子裏沒雞蛋，B專門從盤子裏拿雞蛋，如果盤子裏沒雞蛋，

則等待直到盤子裏有雞蛋。其實盤子就是一個互斥區，每次往盤子放雞蛋應該都是互斥的，A的等待其實就是

主動放棄鎖，B等待時還要提醒A放雞蛋。如何讓線程主動釋放鎖很簡單，調用鎖的wait()方法就好。

wait方法是從Object來的，所以任意對象都有這個方法。看這個代碼片段：

Object lock=new Object();//聲明瞭一個對象作爲鎖
   synchronized (lock) {
       balance = balance - num;
       //這裏放棄了同步鎖，好不容易得到，又放棄了
       lock.wait();
}

    如果一個線程獲得了鎖lock，進入了同步塊，執行lock.wait()，那麼這個線程會進入到lock的阻塞隊列。如果調用

lock.notify()則會通知阻塞隊列的某個線程進入就緒隊列。

聲明一個盤子，只能放一個雞蛋

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class Plate {

    List<Object> eggs = new ArrayList<Object>();

    public synchronized Object getEgg() {
        if (eggs.size() == 0) {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
            }
        }

        Object egg = eggs.get(0);
        eggs.clear();// 清空盤子
        notify();// 喚醒阻塞隊列的某線程到就緒隊列
        System.out.println("拿到雞蛋");
        return egg;
    }

    public synchronized void putEgg(Object egg) {
        if (eggs.size() > 0) {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
            }
        }
        eggs.add(egg);// 往盤子裏放雞蛋
        notify();// 喚醒阻塞隊列的某線程到就緒隊列
        System.out.println("放入雞蛋");
    }

    static class AddThread extends Thread{
        private Plate plate;
        private Object egg=new Object();
        public AddThread(Plate plate){
            this.plate=plate;
        }

        public void run(){
            for(int i=0;i<5;i++){
                plate.putEgg(egg);
            }
        }
    }

    static class GetThread extends Thread{
        private Plate plate;
        public GetThread(Plate plate){
            this.plate=plate;
        }

        public void run(){
            for(int i=0;i<5;i++){
                plate.getEgg();
            }
        }
    }

    public static void main(String args[]){
        try {
            Plate plate=new Plate();
            Thread add=new Thread(new AddThread(plate));
            Thread get=new Thread(new GetThread(plate));
            add.start();
            get.start();
            add.join();
            get.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("測試結束");
    }
}

執行結果：

synchronized關鍵字 

 上面說了，java用synchronized關鍵字做爲多線程併發環境的執行有序性的保證手段之一。當一段代碼會修改共享變量，

這一段代碼成爲互斥區或臨界區，爲了保證共享變量的正確性，synchronized標示了臨界區。典型的用法如下：

synchronized(鎖){
     臨界區代碼
}

爲了保證銀行賬戶的安全，可以操作賬戶的方法如下：

public synchronized void add(int num) {
     balance = balance + num;
}
public synchronized void withdraw(int num) {
     balance = balance - num;
}

剛纔不是說了synchronized的用法是這樣的嗎：

synchronized(鎖){
臨界區代碼
}

那麼對於public synchronized void add(int num)這種情況，意味着什麼呢？其實這種情況，鎖就是這個方法所在的對象。

同理，如果方法是public  static synchronized void add(intnum)，那麼鎖就是這個方法所在的class。

        理論上，每個對象都可以做爲鎖，但一個對象做爲鎖時，應該被多個線程共享，這樣才顯得有意義，在併發環境下，

一個沒有共享的對象作爲鎖是沒有意義的。假如有這樣的代碼：

public class ThreadTest{
  public void test(){
     Object lock=new Object();
     synchronized (lock){
        //do something
     }
  }
}

lock變量作爲一個鎖存在根本沒有意義，因爲它根本不是共享對象，每個線程進來都會執行Object lock=new Object();

每個線程都有自己的lock，根本不存在鎖競爭。

每個鎖對象都有兩個隊列，一個是就緒隊列，一個是阻塞隊列，就緒隊列存儲了將要獲得鎖的線程，阻塞隊列存儲了

被阻塞的線程，當一個被線程被喚醒(notify)後，纔會進入到就緒隊列，等待cpu的調度。當一開始線程a第一次執行

account.add方法時，jvm會檢查鎖對象account的就緒隊列是否已經有線程在等待，如果有則表明account的鎖已經

被佔用了，由於是第一次運行，account的就緒隊列爲空，所以線程a獲得了鎖，執行account.add方法。如果恰好在

這個時候，線程b要執行account.withdraw方法，因爲線程a已經獲得了鎖還沒有釋放，所以線程b要進入account的

就緒隊列，等到得到鎖後纔可以執行。一個線程執行臨界區代碼過程如下：

1獲得同步鎖

2清空工作內存

3從主存拷貝變量副本到工作內存

4對這些變量計算

5將變量從工作內存寫回到主存

6釋放鎖

可見，synchronized既保證了多線程的併發有序性，又保證了多線程的內存可見性。

生產者/消費者模式

生產者/消費者模式其實是一種很經典的線程同步模型，很多時候，並不是光保證多個線程對某共享資源操作的互斥性就夠了，

往往多個線程之間都是有協作的假設有這樣一種情況，有一個桌子，桌子上面有一個盤子，盤子裏只能放一顆雞蛋，

A專門往盤子裏放雞蛋，如果盤子裏有雞蛋，則一直等到盤子裏沒雞蛋，B專門從盤子裏拿雞蛋，如果盤子裏沒雞蛋，

則等待直到盤子裏有雞蛋。其實盤子就是一個互斥區，每次往盤子放雞蛋應該都是互斥的，A的等待其實就是

主動放棄鎖，B等待時還要提醒A放雞蛋。如何讓線程主動釋放鎖很簡單，調用鎖的wait()方法就好。

wait方法是從Object來的，所以任意對象都有這個方法。看這個代碼片段：

Object lock=new Object();//聲明瞭一個對象作爲鎖
   synchronized (lock) {
       balance = balance - num;
       //這裏放棄了同步鎖，好不容易得到，又放棄了
       lock.wait();
}

    如果一個線程獲得了鎖lock，進入了同步塊，執行lock.wait()，那麼這個線程會進入到lock的阻塞隊列。如果調用

lock.notify()則會通知阻塞隊列的某個線程進入就緒隊列。

聲明一個盤子，只能放一個雞蛋

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class Plate {

    List<Object> eggs = new ArrayList<Object>();

    public synchronized Object getEgg() {
        if (eggs.size() == 0) {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
            }
        }

        Object egg = eggs.get(0);
        eggs.clear();// 清空盤子
        notify();// 喚醒阻塞隊列的某線程到就緒隊列
        System.out.println("拿到雞蛋");
        return egg;
    }

    public synchronized void putEgg(Object egg) {
        if (eggs.size() > 0) {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
            }
        }
        eggs.add(egg);// 往盤子裏放雞蛋
        notify();// 喚醒阻塞隊列的某線程到就緒隊列
        System.out.println("放入雞蛋");
    }

    static class AddThread extends Thread{
        private Plate plate;
        private Object egg=new Object();
        public AddThread(Plate plate){
            this.plate=plate;
        }

        public void run(){
            for(int i=0;i<5;i++){
                plate.putEgg(egg);
            }
        }
    }

    static class GetThread extends Thread{
        private Plate plate;
        public GetThread(Plate plate){
            this.plate=plate;
        }

        public void run(){
            for(int i=0;i<5;i++){
                plate.getEgg();
            }
        }
    }

    public static void main(String args[]){
        try {
            Plate plate=new Plate();
            Thread add=new Thread(new AddThread(plate));
            Thread get=new Thread(new GetThread(plate));
            add.start();
            get.start();
            add.join();
            get.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("測試結束");
    }
}

執行結果：

1. 放入雞蛋  

2. 拿到雞蛋  

3. 放入雞蛋  

4. 拿到雞蛋  

5. 放入雞蛋  

6. 拿到雞蛋  

7. 放入雞蛋  

8. 拿到雞蛋  

9. 放入雞蛋  

10.拿到雞蛋  

測試結束 

聲明一個Plate對象爲plate，被線程A和線程B共享，A專門放雞蛋，B專門拿雞蛋。假設

1開始，A調用plate.putEgg方法，此時eggs.size()爲0，因此順利將雞蛋放到盤子，還執行了notify()方法，

喚醒鎖的阻塞隊列的線程，此時阻塞隊列還沒有線程。

2又有一個A線程對象調用plate.putEgg方法，此時eggs.size()不爲0，調用wait()方法，自己進入了鎖對象的阻塞隊列。

3此時，來了一個B線程對象，調用plate.getEgg方法，eggs.size()不爲0，順利的拿到了一個雞蛋，

還執行了notify()方法，喚醒鎖的阻塞隊列的線程，此時阻塞隊列有一個A線程對象，喚醒後，

它進入到就緒隊列，就緒隊列也就它一個，因此馬上得到鎖，開始往盤子裏放雞蛋，此時盤子是空的，

因此放雞蛋成功。

4假設接着來了線程A，就重複2；假設來料線程B，就重複3。

整個過程都保證了放雞蛋，拿雞蛋，放雞蛋，拿雞蛋。

volatile關鍵字

volatile是java提供的一種同步手段，只不過它是輕量級的同步，爲什麼這麼說，因爲volatile只能保證多線程的內存可見性，

不能保證多線程的執行有序性。而最徹底的同步要保證有序性和可見性，例如synchronized。任何被volatile修飾的變量，

都不拷貝副本到工作內存，任何修改都及時寫在主存。因此對於Valatile修飾的變量的修改，所有線程馬上就能看到，

但是volatile不能保證對變量的修改是有序的。什麼意思呢？假如有這樣的代碼：

public class VolatileTest{
  public volatile int a;
  public void add(int count){
       a=a+count;
  }
}

當一個VolatileTest對象被多個線程共享，a的值不一定是正確的，因爲a=a+count包含了好幾步操作，而此時多個線程

的執行是無序的，因爲沒有任何機制來保證多個線程的執行有序性和原子性。volatile存在的意義是，任何線程對a的修改，

都會馬上被其他線程讀取到，因爲直接操作主存，沒有線程對工作內存和主存的同步。所以，volatile的使用場景是

有限的，在有限的一些情形下可以使用 volatile變量替代鎖。要使 volatile變量提供理想的線程安全

必須同時滿足下面兩個條件:

1)對變量的寫操作不依賴於當前值。

2)該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中 

volatile只保證了可見性，所以Volatile適合直接賦值的場景，如

public class VolatileTest{
  public volatile int a;
  public void setA(int a){
      this.a=a;
  }
}

在沒有volatile聲明時，多線程環境下，a的最終值不一定是正確的，因爲this.a=a;涉及到給a賦值和將a同步回主存的步驟，

這個順序可能被打亂。如果用

volatile聲明瞭，讀取主存副本到工作內存和同步a到主存的步驟，相當於是一個原子操作。所以簡單來說，volatile適合這種場景：

一個變量被多個線程共享，線程直接給這個變量賦值。這是一種很簡單的同步場景，

這時候使用volatile的開銷將會非常小。