Java多线程原理

计算机体系结构、操作系统、编译程序为了提高计算机处理速度，尽可能最大化的利用计算机资源，提高数据处理速度。然而在应用多线程的情况下会出现一些安全性问题。这需要我们理解多线程的运行原理。

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数据处理效率由高到低：

1. CPU（缓存）
2. 内存
3. I/O（磁盘读写、网络请求）

CPU为了提高执行效率，发展出了缓存，CPU从缓存读取数据的效率高于内存，但这导致了可见性问题：内存数据和缓存数据不一致。 计算机为了平衡CPU和存储设备之间的速度差异，设计了CPU的分时复用（CPU在不同的线程之间进行切换执行），这就导致了原子性问题。 编译程序优化指令执行次序，使得缓存能够得到更加合理地利用，这就导致了有序性问题。

线程不安全的例子

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public class ThreadUnsafeExample {

    private int cnt = 0;

    public void add() {
        cnt++;
    }

    public int get() {
        return cnt;
    }
}
  

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public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    final int threadSize = 1000;
    ThreadUnsafeExample example = new ThreadUnsafeExample();
    final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize);
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    for (int i = 0; i < threadSize; i++) {
        executorService.execute(() -> {
            example.add();
            countDownLatch.countDown();
        });
    }
    countDownLatch.await();
    executorService.shutdown();
    System.out.println(example.get());
}

并发问题出现的原因

可见性

一个线程对共享变量的修改，另外一个线程能够立刻看到。

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//线程1执行的代码
int i = 0;
i = 10;
 
//线程2执行的代码
j = i;

解释： 假若执行线程1的是CPU1，执行线程2的是CPU2。由上面的分析可知，当线程1执行 i =10这句时，会先把i的初始值加载到CPU1的高速缓存中，然后赋值为10，那么在CPU1的高速缓存当中i的值变为10了，却没有立即写入到主存当中。 此时线程2执行 j = i，它会先去主存读取i的值并加载到CPU2的缓存当中，注意此时内存当中i的值还是0，那么就会使得j的值为0，而不是10. 这就是可见性问题，线程1对变量i修改了之后，线程2没有立即看到线程1修改的值。 ** 硬件方面结构图： 内存结构图:

原子性

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。

经典的转账问题：比如从账户A向账户B转1000元。 正常的操作流程是这样的：A账户-1000元，B账户+1000元。如果账户A减了1000元，系统中断，账户B没有收到这1000元，那么用户就损失了1000元。

有序性

即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行

什么是指令重排序？ as-if-serial语义：

所有的操作都可以为了优化而被重排序，但是必须保证它们重排序后的结果和程序代码本身的应有结果是一致的。Java编译器、运行时和处理器都会保证单线程下的as-if-serial语义。

as-if-serial语义使程序员不必担心单线程中重排序的问题干扰他们，也无需担心内存可见性问题。

重排序会导致多线程情况下出现问题

例子：

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public class RecordExample2 {
    int a = 0;
    boolean flag = false;

    /**
     * A线程执行
     */
    public void writer(){
        a = 1;                  // 1
        flag = true;            // 2
    }

    /**
     * B线程执行
     */
    public void read(){
        if(flag){                  // 3
           int i = a + a;          // 4
        }
    }

}

Java解决并发问题

关键字

final

final关键字定义对象为不可变对象。 不可变对象（指所有的成员都是final并且成员要么是基本类型，要么指向另一个不可变对象）可以并发访问而无需使用同步机制。 注意点：

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private final List myList = new ArrayList();

//合法
myList.add("Hello");

//不合法
myList = new ArrayList();
myList = someOtherList;

Sychronized

Synchronized是Java并发编程中的同步机制关键字，他能保证同一个时刻只有一条线程能够执行被关键字修饰的代码，其他线程就会在队列中进行等待，等待这条线程执行完毕后，下一条线程才能对执行这段代码。

volatile

解决的问题：

1. 保证内存可见性
2. 禁止重排序

看原来的例子：

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int a = 0;
volatile bool flag = false;

public void write() {
    a = 2;              //1
    flag = true;        //2
}

public void multiply() {
    if (flag) {         //3
        int ret = a * a;//4
    }
}

• 当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存
• 当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效，线程接下来将从主内存中读取共享变量。
• 禁止之后的指令重排序到volatile关键字修饰的变量操作指令之前。

应用

单例模式的实现，典型的双重检查锁定。

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class Singleton{
    private volatile static Singleton instance = null;
 
    private Singleton() {
 
    }
 
    public static Singleton getInstance() {
        if(instance==null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if(instance==null)
                    instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

Java内存模型

缓存和指令重排序是计算机体系结构方面的内容，不仅是Java语言在处理多线程的情况下会遇到，其他编程语言都会遇到，Java虚拟机通过定义的Java内存模型屏蔽底层物理硬件和操作系统的不同，来提供一致的内存访问结果。

happens-before原则

那么Java为了解决多线程情况下的可见性和重排序问题，通过Java内存模型（JMM）提出了happens-before原则。

什么是happens-before原则？

如果A线程的写操作a与B线程的读操作b之间存在happens-before关系，尽管a操作和b操作在不同的线程中执行，但JMM向程序员保证a操作将对b操作可见。

那么如何告诉JVM你的操作A是happens-before操作B呢？

具体的一共有八项规则：

1. 程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before于该线程中的任意后续操作。
2. 监视器锁规则：对一个锁的解锁，happens-before于随后对这个锁的加锁。
3. volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens-before于任意后续对这个volatile域的读。
4. 传递性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。
5. start()规则：如果线程A执行操作ThreadB.start()（启动线程B），那么A线程的ThreadB.start()操作happens-before于线程B中的任意操作。
6. join()规则：如果线程A执行操作ThreadB.join()并成功返回，那么线程B中的任意操作happens-before于线程A从ThreadB.join()操作成功返回。
7. 程序中断规则：对线程interrupted()方法的调用先行于被中断线程的代码检测到中断时间的发生。
8. 对象finalize规则：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行于发生它的finalize()方法的开始。

Java自带的一些线程安全工具类都是以上2种方式的实现。

线程安全不是绝对的

线程安全实现方法

互斥同步（有锁）

Synchronized的使用

在应用Sychronized关键字时需要把握如下注意点：

• 一把锁只能同时被一个线程获取，没有获得锁的线程只能等待；
• 每个实例都对应有自己的一把锁(this),不同实例之间互不影响；例外：锁对象是*.class以及synchronized修饰的是static方法的时候，所有对象公用同一把锁
• synchronized修饰的方法，无论方法正常执行完毕还是抛出异常，都会释放锁

锁类型 对象锁：

包括方法锁(默认锁对象为this,当前实例对象)和同步代码块锁(自己指定锁对象)

同步代码块锁

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public class SynchronizedObjectLock implements Runnable {
    static SynchronizedObjectLock instence = new SynchronizedObjectLock();

    @Override
    public void run() {
        // 同步代码块形式——锁为this,两个线程使用的锁是一样的,线程1必须要等到线程0释放了该锁后，才能执行
        synchronized (this) {
            System.out.println("我是线程" + Thread.currentThread().getName());
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "结束");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(instence);
        Thread t2 = new Thread(instence);
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

输出结果：

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我是线程Thread-0
Thread-0结束
我是线程Thread-1
Thread-1结束

自己指定锁对象

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public class SynchronizedObjectLock implements Runnable {
    static SynchronizedObjectLock instence = new SynchronizedObjectLock();
    // 创建2把锁
    Object block1 = new Object();
    Object block2 = new Object();

    @Override
    public void run() {
        // 这个代码块使用的是第一把锁，当他释放后，后面的代码块由于使用的是第二把锁，因此可以马上执行
        synchronized (block1) {
            System.out.println("block1锁,我是线程" + Thread.currentThread().getName());
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("block1锁,"+Thread.currentThread().getName() + "结束");
        }

        synchronized (block2) {
            System.out.println("block2锁,我是线程" + Thread.currentThread().getName());
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("block2锁,"+Thread.currentThread().getName() + "结束");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(instence);
        Thread t2 = new Thread(instence);
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

方法锁

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public class SynchronizedObjectLock implements Runnable {
    static SynchronizedObjectLock instence = new SynchronizedObjectLock();

    @Override
    public void run() {
        method();
    }

    public synchronized void method() {
        System.out.println("我是线程" + Thread.currentThread().getName());
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "结束");
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(instence);
        Thread t2 = new Thread(instence);
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

类锁

指synchronize修饰静态的方法或指定锁对象为Class对象

修饰静态方法：

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public class SynchronizedObjectLock implements Runnable {
    static SynchronizedObjectLock instence1 = new SynchronizedObjectLock();
    static SynchronizedObjectLock instence2 = new SynchronizedObjectLock();

    @Override
    public void run() {
        method();
    }

    // synchronized用在静态方法上，默认的锁就是当前所在的Class类，所以无论是哪个线程访问它，需要的锁都只有一把
    public static synchronized void method() {
        System.out.println("我是线程" + Thread.currentThread().getName());
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "结束");
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(instence1);
        Thread t2 = new Thread(instence2);
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

指定锁对象为Class对象：

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public class SynchronizedObjectLock implements Runnable {
    static SynchronizedObjectLock instence1 = new SynchronizedObjectLock();
    static SynchronizedObjectLock instence2 = new SynchronizedObjectLock();

    @Override
    public void run() {
        // 所有线程需要的锁都是同一把
        synchronized(SynchronizedObjectLock.class){
            System.out.println("我是线程" + Thread.currentThread().getName());
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "结束");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(instence1);
        Thread t2 = new Thread(instence2);
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

ReentrantLock

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import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

class MyThread extends Thread {
    private Lock lock;
    public MyThread(String name, Lock lock) {
        super(name);
        this.lock = lock;
    }
    
    public void run () {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread() + " running");
            try {
                Thread.sleep(500);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

public class AbstractQueuedSynchonizerDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Lock lock = new ReentrantLock(true);
        
        MyThread t1 = new MyThread("t1", lock);        
        MyThread t2 = new MyThread("t2", lock);
        MyThread t3 = new MyThread("t3", lock);
        t1.start();
        t2.start();    
        t3.start();
    }
}

非阻塞同步（无锁）

互斥同步最主要的问题就是线程阻塞和唤醒所带来的性能问题，因此这种同步也称为阻塞同步。 互斥同步属于一种悲观的并发策略，总是认为只要不去做正确的同步措施，那就肯定会出现问题。

CAS

随着硬件指令集的发展，我们可以使用基于冲突检测的乐观并发策略: 先进行操作，如果没有其它线程争用共享数据，那操作就成功了，否则采取补偿措施(不断地重试，直到成功为止)。这种乐观的并发策略的许多实现都不需要将线程阻塞，因此这种同步操作称为非阻塞同步。

比较并交换(Compare-and-Swap，CAS)。CAS 指令需要有 3 个操作数，分别是内存地址 V、旧的预期值 A 和新值 B。当执行操作时，只有当 V 的值等于 A，才将 V 的值更新为 B。

无同步方案（无锁）

要保证线程安全，并不是一定就要进行同步。如果一个方法本来就不涉及共享数据，那它自然就无须任何同步措施去保证正确性。

栈封闭

多个线程访问同一个方法的局部变量时，不会出现线程安全问题，因为局部变量存储在虚拟机栈中，属于线程私有的。

线程本地存储(Thread Local Storage)

如果一段代码中所需要的数据必须与其他代码共享，那就看看这些共享数据的代码是否能保证在同一个线程中执行。如果能保证，我们就可以把共享数据的可见范围限制在同一个线程之内，这样，无须同步也能保证线程之间不出现数据争用的问题。 符合这种特点的应用并不少见，大部分使用消费队列的架构模式(如“生产者-消费者”模式)都会将产品的消费过程尽量在一个线程中消费完。其中最重要的一个应用实例就是经典 Web 交互模型中的“一个请求对应一个服务器线程”(Thread-per-Request)的处理方式，这种处理方式的广泛应用使得很多 Web 服务端应用都可以使用线程本地存储来解决线程安全问题。

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public class ThreadLocalExample {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadLocal threadLocal = new ThreadLocal();
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            threadLocal.set(1);
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(threadLocal.get());
            threadLocal.remove();
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            threadLocal.set(2);
            threadLocal.remove();
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

执行结果：

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