线程安全的理解

如果你的代码所在的进程中有多个线程在同时运行,而这些线程可能会同时运行这段代码。如果每次运行结果和单线程运行的结果是一样的,而且其他的变量的值也和预期的是一样的,就是线程安全的。
比如一个 ArrayList 类,在添加一个元素的时候,它可能会有两步来完成:1. 在 Items[Size] 的位置存放此元素;2. 增大 Size 的值。

  在单线程运行的情况下,如果 Size = 0,添加一个元素后,此元素在位置 0,而且 Size=1;

  而如果是在多线程情况下,比如有两个线程,线程 A 先将元素存放在位置 0。但是此时 CPU 调度线程A暂停,线程 B 得到运行的机会。线程B也向此 ArrayList 添加元素,因为此时 Size 仍然等于 0 (注意哦,我们假设的是添加一个元素是要两个步骤哦,而线程A仅仅完成了步骤1),所以线程B也将元素存放在位置0。然后线程A和线程B都继续运行,都增加 Size 的值。

  那好,现在我们来看看 ArrayList 的情况,元素实际上只有一个,存放在位置 0,而 Size 却等于 2。这就是“线程不安全”了。
如何做到线程安全:
四种方式   sychronized关键字

   1. sychronized method(){}

   2. sychronized (objectReference) {/*block*/}

   3. static synchronized method(){}

   4. sychronized(classname.class)

    其中1和2是代表锁当前对象,即一个对象就一个锁,3和4代表锁这个类,即这个类的锁。要注意的是sychronized method()不是锁这个函数,而是锁对象,即:如果这个类中有两个方法都是sychronized,那么只要有两个线程共享一个该类的reference,每个调用这两个方法之一,不管是否同一个方法,都会用这个对象锁进行同步。
   注意:long 和double是简单类型中两个特殊的咚咚:java读他们要读两次,所以需要同步。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 java线程安全总结(二)请看http://www.iteye.com/topic/808550

  

   最近想将java基础的一些东西都整理整理,写下来,这是对知识的总结,也是一种乐趣。已经拟好了提纲,大概分为这几个主题: java线程安全,java垃圾收集,java并发包详细介绍,java profile和jvm性能调优慢慢写吧。本人jameswxx原创文章,转载请注明出处,我费了很多心血,多谢了。关于java线程安全,网上有很多资料,我只想从自己的角度总结对这方面的考虑,有时候写东西是很痛苦的,知道一些东西,但想用文字说清楚,却不是那么容易。我认为要认识java线程安全,必须了解两个主要的点:java的内存模型,java的线程同步机制。特别是内存模型,java的线程同步机制很大程度上都是基于内存模型而设定的。后面我还会写java并发包的文章,详细总结如何利用java并发包编写高效安全的多线程并发程序。暂时写得比较仓促,后面会慢慢补充完善。


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 复制代码 收藏代码
  1. for(int i=0;i<10;i++)   
  2.  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

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 复制代码 收藏代码
  1. public class Account {   
  2.   
  3.     private int balance;   
  4.   
  5.     public Account(int balance) {   
  6.         this.balance = balance;   
  7.     }   
  8.   
  9.     public int getBalance() {   
  10.         return balance;   
  11.     }   
  12.   
  13.     public void add(int num) {   
  14.         balance = balance + num;   
  15.     }   
  16.   
  17.     public void withdraw(int num) {   
  18.         balance = balance - num;   
  19.     }   
  20.   
  21.     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {   
  22.         Account account = new Account(1000);   
  23.         Thread a = new Thread(new AddThread(account, 20), "add");   
  24.         Thread b = new Thread(new WithdrawThread(account, 20), "withdraw");   
  25.         a.start();   
  26.         b.start();   
  27.         a.join();   
  28.         b.join();   
  29.         System.out.println(account.getBalance());   
  30.     }   
  31.   
  32.     static class AddThread implements Runnable {   
  33.         Account account;   
  34.         int     amount;   
  35.   
  36.         public AddThread(Account account, int amount) {   
  37.             this.account = account;   
  38.             this.amount = amount;   
  39.         }   
  40.   
  41.         public void run() {   
  42.             for (int i = 0; i < 200000; i++) {   
  43.                 account.add(amount);   
  44.             }   
  45.         }   
  46.     }   
  47.   
  48.     static class WithdrawThread implements Runnable {   
  49.         Account account;   
  50.         int     amount;   
  51.   
  52.         public WithdrawThread(Account account, int amount) {   
  53.             this.account = account;   
  54.             this.amount = amount;   
  55.         }   
  56.   
  57.         public void run() {   
  58.             for (int i = 0; i < 100000; i++) {   
  59.                 account.withdraw(amount);   
  60.             }   
  61.         }   
  62.     }   
  63. }  
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。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 复制代码 收藏代码
  1. synchronized(锁){   
  2.      临界区代码   
  3. }   
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 复制代码 收藏代码
  1. public synchronized void add(int num) {   
  2.      balance = balance + num;   
  3. }   
  4. public synchronized void withdraw(int num) {   
  5.      balance = balance - num;   
  6. }  
public synchronized void add(int num) {
     balance = balance + num;
}
public synchronized void withdraw(int num) {
     balance = balance - num;
}

 


刚才不是说了synchronized的用法是这样的吗:

Java代码 复制代码 收藏代码
  1. synchronized(锁){   
  2. 临界区代码   
  3. }  
synchronized(锁){
临界区代码
}

 


那么对于public synchronized void add(int num)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  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:

Java代码 复制代码 收藏代码
  1. public class ThreadTest{   
  2.   public void test(){   
  3.      Object lock=new Object();   
  4.      synchronized (lock){   
  5.         //do something   
  6.      }   
  7.   }   
  8. }  
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 复制代码 收藏代码
  1. Object lock=new Object();//声明了一个对象作为锁   
  2.    synchronized (lock) {   
  3.        balance = balance - num;   
  4.        //这里放弃了同步锁,好不容易得到,又放弃了   
  5.        lock.wait();   
  6. }  
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。
声明一个盘子,只能放一个鸡蛋

 

Java代码 复制代码 收藏代码
  1. import java.util.ArrayList;   
  2. import java.util.List;   
  3.   
  4. public class Plate {   
  5.   
  6.     List<Object> eggs = new ArrayList<Object>();   
  7.   
  8.     public synchronized Object getEgg() {   
  9.         while(eggs.size() == 0) {   
  10.             try {   
  11.                 wait();   
  12.             } catch (InterruptedException e) {   
  13.             }   
  14.         }   
  15.   
  16.         Object egg = eggs.get(0);   
  17.         eggs.clear();// 清空盘子   
  18.         notify();// 唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列   
  19.         System.out.println("拿到鸡蛋");   
  20.         return egg;   
  21.     }   
  22.   
  23.     public synchronized void putEgg(Object egg) {   
  24.         while(eggs.size() > 0) {   
  25.             try {   
  26.                 wait();   
  27.             } catch (InterruptedException e) {   
  28.             }   
  29.         }   
  30.         eggs.add(egg);// 往盘子里放鸡蛋   
  31.         notify();// 唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列   
  32.         System.out.println("放入鸡蛋");   
  33.     }   
  34.        
  35.     static class AddThread extends Thread{   
  36.         private Plate plate;   
  37.         private Object egg=new Object();   
  38.         public AddThread(Plate plate){   
  39.             this.plate=plate;   
  40.         }   
  41.            
  42.         public void run(){   
  43.             for(int i=0;i<5;i++){   
  44.                 plate.putEgg(egg);   
  45.             }   
  46.         }   
  47.     }   
  48.        
  49.     static class GetThread extends Thread{   
  50.         private Plate plate;   
  51.         public GetThread(Plate plate){   
  52.             this.plate=plate;   
  53.         }   
  54.            
  55.         public void run(){   
  56.             for(int i=0;i<5;i++){   
  57.                 plate.getEgg();   
  58.             }   
  59.         }   
  60.     }   
  61.        
  62.     public static void main(String args[]){   
  63.         try {   
  64.             Plate plate=new Plate();   
  65.             Thread add=new Thread(new AddThread(plate));   
  66.             Thread get=new Thread(new GetThread(plate));   
  67.             add.start();   
  68.             get.start();   
  69.             add.join();   
  70.             get.join();   
  71.         } catch (InterruptedException e) {   
  72.             e.printStackTrace();   
  73.         }   
  74.         System.out.println("测试结束");   
  75.     }   
posted @ 2011-11-18 16:00  骏马昆朋  阅读(10103)  评论(0编辑  收藏  举报