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Java并发编程(四):线程安全

多线程的安全性

首先从内存模型来了解一下什么是多线程的安全性。

我们都知道java的内存模型中有主内存和线程的工作内存之分,主内存上存放的是线程共享的变量(实例字段,静态字段和构成数组的元素),线程的工作内存是线程私有的空间,存放的是线程私有的变量(方法参数与局部变量)。线程在工作的时候如果要操作主内存上的共享变量,为了获得更好的执行性能并不是直接去修改主内存而是会在线程私有的工作内存中创建一份变量的拷贝(缓存),在工作内存上对变量的拷贝修改之后再把修改的值刷回到主内存的变量中去,JVM提供了8中原子操作来完成这一过程:lock, unlock, read, load, use, assign, store, write。

如果只有一个线程当然不会有什么问题,但是如果有多个线程同时在操作主内存中的变量,因为8种操作的非连续性和线程抢占cpu执行的机制就会带来冲突的问题,也就是多线程的安全问题。线程安全的定义就是:如果线程执行过程中不会产生共享资源的冲突就是线程安全的。

Java里面一般用以下几种机制保证线程安全:

1.互斥同步锁(悲观锁)

1)Synchorized

2)ReentrantLock

互斥同步锁也叫做阻塞同步锁,特征是会对没有获取锁的线程进行阻塞。

要理解互斥同步锁,首选要明白什么是互斥什么是同步。简单的说互斥就是非你即我,同步就是顺序访问。互斥同步锁就是以互斥的手段达到顺序访问的目的。操作系统提供了很多互斥机制比如信号量,互斥量,临界区资源等来控制在某一个时刻只能有一个或者一组线程访问同一个资源。

Java里面的互斥同步锁就是Synchorized和ReentrantLock,前者是由语言级别实现的互斥同步锁,理解和写法简单但是机制笨拙,在JDK6之后性能优化大幅提升,即使在竞争激烈的情况下也能保持一个和ReentrantLock相差不多的性能,所以JDK6之后的程序选择不应该再因为性能问题而放弃synchorized。ReentrantLock是API层面的互斥同步锁,需要程序自己打开并在finally中关闭锁,和synchorized相比更加的灵活,体现在三个方面:等待可中断,公平锁以及绑定多个条件。但是如果程序猿对ReentrantLock理解不够深刻,或者忘记释放lock,那么不仅不会提升性能反而会带来额外的问题。另外synchorized是JVM实现的,可以通过监控工具来监控锁的状态,遇到异常JVM会自动释放掉锁。而ReentrantLock必须由程序主动的释放锁。

互斥同步锁都是可重入锁,好处是可以保证不会死锁。但是因为涉及到核心态和用户态的切换,因此比较消耗性能。JVM开发团队在JDK5-JDK6升级过程中采用了很多锁优化机制来优化同步无竞争情况下锁的性能。比如:自旋锁和适应性自旋锁,轻量级锁,偏向锁,锁粗化和锁消除。

2.非阻塞同步锁

1) 原子类(CAS)

非阻塞同步锁也叫乐观锁,相比悲观锁来说,它会先进行资源在工作内存中的更新,然后根据与主存中旧值的对比来确定在此期间是否有其他线程对共享资源进行了更新,如果旧值与期望值相同,就认为没有更新,可以把新值写回内存,否则就一直重试直到成功。它的实现方式依赖于处理器的机器指令:CAS(Compare And Swap)

JUC中提供了几个Automic类以及每个类上的原子操作就是乐观锁机制。

不激烈情况下,性能比synchronized略逊,而激烈的时候,也能维持常态。激烈的时候,Atomic的性能会优于ReentrantLock一倍左右。但是其有一个缺点,就是只能同步一个值,一段代码中只能出现一个Atomic的变量,多于一个同步无效。因为他不能在多个Atomic之间同步。

非阻塞锁是不可重入的,否则会造成死锁。

3.无同步方案

1)可重入代码

在执行的任何时刻都可以中断-重入执行而不会产生冲突。特点就是不会依赖堆上的共享资源

2)ThreadLocal/Volaitile

线程本地的变量,每个线程获取一份共享变量的拷贝,单独进行处理。

3) 线程本地存储

如果一个共享资源一定要被多线程共享,可以尽量让一个线程完成所有的处理操作,比如生产者消费者模式中,一般会让一个消费者完成对队列上资源的消费。典型的应用是基于请求-应答模式的web服务器的设计

线程安全与锁

  在多个线程并发执行访问同一个数据时,如果不采取相应的措施,将会是非常危险的。假设你在工行有一个银行账户,两张银联卡(自己手里一张,女朋友手里一张),里面有100万。假设取钱就两个过程:1.检查账户余额,2.取出现金(如果要取出的金额 > 账户余额,则取现成功,否则取现失败)。有一天你要买房想把钱取出来,而此时你女朋友也想买一辆车(假设你们事先没有商量)。两个人都在取钱,你在A号ATM机取100万,女朋友在B号ATM机取80万。这时A号ATM检查账户余额发现有100万,可以取出;而与此同时,同一时刻B号ATM也在检查账户余额发现有100万,可以取出;这样,A、B都把钱取出来了。

  100万的存款取出180万,银行就亏大发了(当然你就笑呵呵了……)!这就是线程并发的不安全性。为避免这种情况发生,我们要将多个线程对同一数据的访问同步,确保线程安全。

  所谓同步(synchronization)就是指一个线程访问数据时,其它线程不得对同一个数据进行访问,即同一时刻只能有一个线程访问该数据,当这一线程访问结束时其它线程才能对这它进行访问。同步最常见的方式就是使用锁(Lock),也称为线程锁。锁是一种非强制机制,每一个线程在访问数据或资源之前,首先试图获取(Acquire)锁,并在访问结束之后释放(Release)锁。在锁被占用时试图获取锁,线程会进入等待状态,直到锁被释放再次变为可用。

二元信号量

  二元信号量(Binary Semaphore)是一种最简单的锁,它有两种状态:占用和非占用。它适合只能被唯一一个线程独占访问的资源。当二元信号量处于非占用状态时,第一个试图获取该二元信号量锁的线程会获得该锁,并将二元信号量锁置为占用状态,之后其它试图获取该二元信号量的线程会进入等待状态,直到该锁被释放。 

信号量

  多元信号量允许多个线程访问同一个资源,多元信号量简称信号量(Semaphore),对于允许多个线程并发访问的资源,这是一个很好的选择。一个初始值为N的信号量允许N个线程并发访问。线程访问资源时首先获取信号量锁,进行如下操作:

  1. 将信号量的值减1;
  2. 如果信号量的值小于0,则进入等待状态,否则继续执行;

  访问资源结束之后,线程释放信号量锁,进行如下操作:
  1. 将信号量的值加1;
  2. 如果信号量的值小于1(等于0),唤醒一个等待中的线程;  

互斥量

  互斥量(Mutex)和二元信号量类似,资源仅允许一个线程访问。与二元信号量不同的是,信号量在整个系统中可以被任意线程获取和释放,也就是说,同一个信号量可以由一个线程获取而由另一线程释放。而互斥量则要求哪个线程获取了该互斥量锁就由哪个线程释放,其它线程越俎代庖释放互斥量是无效的。

临界区

  临界区(Critical Section)是一种比互斥量更加严格的同步手段。互斥量和信号量在系统的任何进程都是可见的,也就是说一个进程创建了一个互斥量或信号量,另一进程试图获取该锁是合法的。而临界区的作用范围仅限于本进程,其它的进程无法获取该锁。除此之处,临界区与互斥量的性质相同。 

读写锁

  读写锁(Read-Write Lock)允许多个线程同时对同一个数据进行读操作,而只允许一个线程进行写操作。这是因为读操作不会改变数据的内容,是安全的;而写操作会改变数据的内容,是不安全的。对同一个读写锁,有两种获取方式:共享的(Shared)和独占的(Exclusive)。当锁处于自由状态时,试图以任何一种方式(共享的或独占的)获取锁都能成功,并将锁置为对应的状态;

  如果锁处于共享状态,其它线程以共享方式获取该锁,仍然能成功,此时该锁分配给了多个线程;如果其它线程试图如独占的方式获取处于共享状态的锁,它必须等待所有线程释放该锁;

  如果锁处于独占状态,它将阻止任何线程获取该锁,不论它们以何种方式。

  获取读写锁的方式总结如下:

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 (read and load)
(2) 执行代码,改变共享变量值 (use and assign)
(3) 用工作内存数据刷新主存相关内容 (store and write)

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

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

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);   
            }   
        }   
    }   
}  
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,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。

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