Java线程安全
线程安全:多线程访问同一段代码,不会产生不确定的结果
举例:
比如一个ArrayList类,在添加一个元素的时候,它需要两步来完成:
1.在Item[size]的位置存放此元素
2.增大size的值
在单线程的情况下,如果size=0,添加一个元素后,此元素在位置0,而且size=1;而如果在多线程的情况下,比如运行两个线程,线程A先将元素存放在位置0,如果此时CPU调度下线程A暂停,线程B得到运行的机会,向ArrayList中添加元素,因为线程A未完成步骤2,size仍等于0,所以线程B也将元素存放在位置0。然后线程A和线程B都恢复运行,执行步骤2,增加size的值,结果size等于1,而ArrayList中本应有两个元素,而实际元素是在0位置,造成丢失元素,所以size等于1,导致“线程不安全”。
线程安全的两大问题:可见性和有序性
- 可见性:多个线程之间是不能相互传递数据通信的,他们之间的沟通只能通过共享变量来进行,多个线程共享主内存。当new一个对象的时候,也是被分配在了主内存中,每个线程都有自己的工作内存,工作内存保存了主存的的某些对象的副本,当线程操作某个对象的时候,执行顺序如下:
1.从主存复制变量到工作内存中(read and load)
2.执行代码,修改工作内存中共享变量的值(use and assign)
3.把工作内存数据刷新到主存中(store and write)
当一个共享变量在多个线程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。
- 有序性: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,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,它会将值先指定给工作内存中的变量副本,完成后这个变量副本会同步到主存储,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:
for(int i = 0; i < 10; i++)
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
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
最后结果显然是不正确的,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:
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,而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关键字只解决多线程的内存可见性问题。
synchronized关键字
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:
synchronized(锁){
// 临界区代码
}
为了保证银行账户的安全,可以操作账户的方法如下:
public synchronized void add(int num) {
balance = balance + num;
}
public synchronized void withdraw(int num) {
balance = balance - num;
}
那么对于public synchronized void add(int num)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:
public class ThreadTest{
public void test(){
Object lock = new Object();
synchronized (lock){
//do something
}
}
}
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,当一个被线程调用yield(),sleep(),join(),wait()方法会进入阻塞队列,调用notify()或notifyAll()方法被唤醒后,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。
让线程主动释放锁:调用锁的wait()方法。wait方法是从Object来的,所以任意对象都有这个方法。
Object lock=new Object();//声明了一个对象作为锁
synchronized (lock) {
balance = balance - num;
//这里放弃了同步锁,好不容易得到,又放弃了
lock.wait();
}
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。 Java代码:
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class Plate {
List<Object> eggs = new ArrayList<Object>();
public synchronized Object getEgg() {
while(eggs.size() == 0) {
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {
}
}
Object egg = eggs.get(0);
eggs.clear();// 清空盘子
notify();// 唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列
System.out.println("拿到鸡蛋");
return egg;
}
public synchronized void putEgg(Object egg) {
while(eggs.size() > 0) {
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {
}
}
eggs.add(egg);// 往盘子里放鸡蛋
notify();// 唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列
System.out.println("放入鸡蛋");
}
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("测试结束");
}
}
执行结果:
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
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,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volatile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。假如有这样的代码:
public class VolatileTest{
public volatile int a;
public void add(int count){
a = a + count;
}
}
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,所以仍会出现线程不安全的情况。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:
public class VolatileTest{
public volatile int a;
public void setA(int a){
this.a = a;
}
}
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同步回主存两个步骤,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。