Java线程安全问题小结_动力节点Java学院整理

2024-02-22 16:36:04 44

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(readandload)

(2)执行代码，改变共享变量值(useandassign)

(3)用工作内存数据刷新主存相关内容(storeandwrite)

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

for(inti=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

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

publicclassAccount{
privateintbalance;
publicAccount(intbalance){
this.balance=balance;
}
publicintgetBalance(){
returnbalance;
}
publicvoidadd(intnum){
balance=balance+num;
}
publicvoidwithdraw(intnum){
balance=balance-num;
}
publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException{
Accountaccount=newAccount(1000);
Threada=newThread(newAddThread(account,20),"add");
Threadb=newThread(newWithdrawThread(account,20),"withdraw");
a.start();
b.start();
a.join();
b.join();
System.out.println(account.getBalance());
}
staticclassAddThreadimplementsRunnable{
Accountaccount;
intamount;
publicAddThread(Accountaccount,intamount){
this.account=account;
this.amount=amount;
}
publicvoidrun(){
for(inti=0;i<200000;i++){
account.add(amount);
}
}
}
staticclassWithdrawThreadimplementsRunnable{
Accountaccount;
intamount;
publicWithdrawThread(Accountaccount,intamount){
this.account=account;
this.amount=amount;
}
publicvoidrun(){
for(inti=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，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

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：

Java代码

publicsynchronizedvoidadd(intnum){
balance=balance+num;
}
publicsynchronizedvoidwithdraw(intnum){
balance=balance-num;
}

刚才不是说了synchronized的用法是这样的吗：

Java代码

synchronized(锁){
临界区代码
}

那么对于publicsynchronizedvoidadd(intnum)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 staticsynchronizedvoidadd(intnum)，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

publicclassThreadTest{
publicvoidtest(){
Objectlock=newObject();
synchronized(lock){
//dosomething
}
}
}

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Objectlock=newObject();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

Objectlock=newObject();//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。

声明一个盘子，只能放一个鸡蛋

Java代码

importjava.util.ArrayList;
importjava.util.List;
publicclassPlate{
List

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