Java線程安全以及線程安全的實(shí)現(xiàn)方式和內(nèi)存模型（JMM）

一、了解幾個(gè)概念

1）臨界區(qū)：

 臨界區(qū)指的是一個(gè)訪問共用資源（例如：共用設(shè)備或是共用存儲器）的程序片段，而這些共用資源又無法同時(shí)被多個(gè)線程訪問的特性。當(dāng)有線程進(jìn)入臨界區(qū)段時(shí)，其他線程或是進(jìn)程必須等待，有一些同步的機(jī)制必須在臨界區(qū)段的進(jìn)入點(diǎn)與離開點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，以確保這些共用資源是被互斥獲得使用

2）互斥量：

互斥量是一個(gè)可以處于兩態(tài)之一的變量：解鎖和加鎖。這樣，只需要一個(gè)二進(jìn)制位表示它，不過實(shí)際上，常常使用一個(gè)整型量，0表示解鎖，而其他所有的值則表示加鎖?；コ饬渴褂脙蓚€(gè)過程。當(dāng)一個(gè)線程（或進(jìn)程）需要訪問臨界區(qū)時(shí)，它調(diào)用mutex_lock。如果該互斥量當(dāng)前是解鎖的（即臨界區(qū)可用），此調(diào)用成功，調(diào)用線程可以自由進(jìn)入該臨界區(qū)。
另一方面，如果該互斥量已經(jīng)加鎖，調(diào)用線程被阻塞，直到在臨界區(qū)中的線程完成并調(diào)用mutex_unlock。如果多個(gè)線程被阻塞在該互斥量上，將隨機(jī)選擇一個(gè)線程并允許它獲得鎖。

3）信號量：

信號量(Semaphore)，有時(shí)被稱為信號燈，是在多線程環(huán)境下使用的一種設(shè)施，是可以用來保證兩個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵代碼段不被并發(fā)調(diào)用。在進(jìn)入一個(gè)關(guān)鍵代碼段之前，線程必須獲取一個(gè)信號量；一旦該關(guān)鍵代碼段完成了，那么該線程必須釋放信號量。其它想進(jìn)入該關(guān)鍵代碼段的線程必須等待直到第一個(gè)線程釋放信號量。為了完成這個(gè)過程，需要創(chuàng)建一個(gè)信號量VI，然后將Acquire Semaphore VI以及Release Semaphore VI分別放置在每個(gè)關(guān)鍵代碼段的首末端。確認(rèn)這些信號量VI引用的是初始創(chuàng)建的信號量。

4）CAS操作（Compare-and-Swap）：

CAS有3個(gè)操作數(shù)，內(nèi)存值V，舊的預(yù)期值A(chǔ)，要修改的新值B。當(dāng)且僅當(dāng)預(yù)期值A(chǔ)和內(nèi)存值V相同時(shí)，將內(nèi)存值V修改為B

5）重排序：

編譯器和處理器”為了提高性能，而在程序執(zhí)行時(shí)會對程序進(jìn)行的重排序。它的出現(xiàn)是為了提高程序的并發(fā)度，從而提高性能！但是對于多線程程序，重排序可能會導(dǎo)致程序執(zhí)行的結(jié)果不是我們需要的結(jié)果！重排序分為“編譯器”和“處理器”兩個(gè)方面，而“處理器”重排序又包括“指令級重排序”和“內(nèi)存的重排序”


二、Java內(nèi)存模型（JMM）

線程與內(nèi)存交互操作如下

所有的變量（實(shí)例字段，靜態(tài)字段，構(gòu)成數(shù)組對象的 元素，不包括局部變量和方法參數(shù)）都存儲在主內(nèi)存中，每個(gè)線程有自己的工作內(nèi)存，線程的工作內(nèi)存保存被線程使用到變量的主內(nèi)存副本拷貝。線程對變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接讀寫主內(nèi)存的變量。不同線程之間也不能直接訪問對方工作內(nèi)存中的變量，線程間變量值的傳遞通過主內(nèi)存來完成。
 

1、Java內(nèi)存模型定義了八種操作：

    lock（鎖定）：作用于主內(nèi)存的變量，它把一個(gè)變量標(biāo)識為一個(gè)線程獨(dú)占的狀態(tài)；
    unlock（解鎖）：作用于主內(nèi)存的變量，它把一個(gè)處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來，釋放后的變量才可以被其他線程鎖定；
    read（讀取）：作用于主內(nèi)存的變量，它把一個(gè)變量的值從主內(nèi)存?zhèn)魉偷骄€程中的工作內(nèi)存，以便隨后的load動作使用；
    load（載入）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把read操作從主內(nèi)存中得到的變量值放入工作內(nèi)存的變量副本中；
    use（使用）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把工作內(nèi)存中一個(gè)變量的值傳遞給執(zhí)行引擎；
    assign（賦值）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把一個(gè)從執(zhí)行引擎接收到的值賦值給工作內(nèi)存中的變量；
    store（存儲）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把工作內(nèi)存中的一個(gè)變量的值傳送到主內(nèi)存中，以便隨后的write操作；
    write（寫入）：作用于主內(nèi)存的變量，它把store操作從工作內(nèi)存中得到的變量的值寫入主內(nèi)存的變量中。

2、volatile關(guān)鍵字作用：

1）、當(dāng)寫一個(gè)volatile變量時(shí)，JMM會把該線程對應(yīng)的本地內(nèi)存中的共享變量值立即刷新到主內(nèi)存中。
2）、當(dāng)讀一個(gè)volatile變量時(shí)，JMM會把該線程對應(yīng)的本地內(nèi)存設(shè)置為無效，直接從主內(nèi)存中讀取共享變量。
3）、禁止指令重排序優(yōu)化。
4）、volatile關(guān)鍵字不能保證在多線程環(huán)境下對共享數(shù)據(jù)的操作的正確性。可以使用在自己狀態(tài)改變之后需要立即通知所有線程的情況下，也就是說volatile不能保證線程同步，Java語言提供了一種稍弱的同步機(jī)制，即volatile變量，用來確保將變量的更新操作通知到其他線程，這就是所謂的線程可見性，當(dāng)把變量聲明為volatile類型后，編譯器與運(yùn)行時(shí)都會注意到這個(gè)變量是共享的，因此不會將該變量上的操作與其他內(nèi)存操作一起重排序。volatile變量不會被緩存在寄存器或者對其他處理器不可見的地方，因此在讀取volatile類型的變量時(shí)總會返回最新寫入的值，所以volatile具有可見性。對一個(gè)volatile變量的讀，總是能看到（任意線程）對這個(gè)volatile變量最后的寫入，然后synchronized也是具有可見性。

5）、volatile的原子性：對任意單個(gè)volatile變量的讀/寫具有原子性，但類似于volatile++這種復(fù)合操作不具有原子性，所以volatile能保證可見性，不能保證原子性。

理解volatile特性的一個(gè)好方法是：把對volatile變量的單個(gè)讀/寫，看成是使用同一個(gè)監(jiān)視器鎖對這些單個(gè)讀/寫操作做了同步

    class VolatileFeaturesExample {
        volatile long vl = 0L;  //使用volatile聲明64位的long型變量
     
        public void set(long l) {
            vl = l;   //單個(gè)volatile變量的寫
        }
     
        public void getAndIncrement () {
            vl++;    //復(fù)合（多個(gè)）volatile變量的讀/寫
        }
     
     
        public long get() {
            return vl;   //單個(gè)volatile變量的讀
        }
    }

假設(shè)有多個(gè)線程分別調(diào)用上面程序的三個(gè)方法，這個(gè)程序在語意上和下面程序等價(jià)：

    class VolatileFeaturesExample {
        long vl = 0L;               // 64位的long型普通變量
     
        public synchronized void set(long l) {     //對單個(gè)的普通 變量的寫用同一個(gè)監(jiān)視器同步
            vl = l;
        }
     
        public void getAndIncrement () { //普通方法調(diào)用
            long temp = get();           //調(diào)用已同步的讀方法
            temp += 1L;                  //普通寫操作
            set(temp);                   //調(diào)用已同步的寫方法
        }
        public synchronized long get() {
        //對單個(gè)的普通變量的讀用同一個(gè)監(jiān)視器同步
            return vl;
        }
    }

3 volatile和synchronized區(qū)別
1）、volatile僅能使用在變量級別；synchronized則可以使用在變量、方法和類級別；

2）、volatile讀數(shù)據(jù)直接從主存中讀取；synchronized則是鎖定當(dāng)前變量，只有當(dāng)前線程可以訪問該變量，其他線程被阻塞住。

3）、volatile能保證可見性，不能保證原子性；而synchronized則可以保證可見性和原子性；

4）、volatile不會造成線程的阻塞；synchronized可能會造成線程的阻塞。

5）、volatile標(biāo)記的變量不會被編譯器優(yōu)化進(jìn)行指令重排列；synchronized標(biāo)記的變量可以被編譯器優(yōu)化進(jìn)行指令重排列。

 
三、JMM特性
1）、原子性

就是指該操作是不可再分的。不論是多核還是單核，具有原子性的量，同一時(shí)刻只能有一個(gè)線程來對它進(jìn)行操作。簡而言之，在整個(gè)操作過程中不會被線程調(diào)度器中斷的操作，都可認(rèn)為是原子性。比如 a = 1；

 
2）、可見性

可見性是指當(dāng)一個(gè)線程修改了共享變量的值，其他線程能夠立即得知這個(gè)修改

 
3）、 有序性

Java內(nèi)存模型中有序性可歸納為這樣一句話：如果在本線程內(nèi)觀察，所有操作都是有序的，如果在一個(gè)線程中觀察另一個(gè)線程，所有操作都是無序的

是指對于單線程的執(zhí)行代碼，執(zhí)行是按順序依次進(jìn)行的。但在多線程環(huán)境中，則可能出現(xiàn)亂序現(xiàn)象，因?yàn)樵诰幾g過程會出現(xiàn)“指令重排”，重排后的指令與原指令的順序未必一致
 

四、java中的線程安全等級

不可變：
可以是基本類型的final；可以是final對象，但對象的行為不會對其狀態(tài)產(chǎn)生任何影響，比如String的subString就是new一個(gè)String對象各種Number類型如BigInteger和BigDecimal等大數(shù)據(jù)類型都是不可變的，但是同為Number子類型的AtomicInteger和AtomicLong則并非不可變。原因與它里面狀態(tài)對象是unsafe對象有關(guān)，所做的操作都是CAS操作，可以保證原子性。

絕對線程安全：
不管運(yùn)行時(shí)環(huán)境如何，調(diào)用者都不需要任何額外的同步措施。

相對線程安全：
這是我們通常意義上的線程安全。需要保證對象單獨(dú)的操作是線程安全的。比如Vector，HashTable，synchronizedCollection包裝集合等。

線程兼容：
對象本身不是線程安全的，但可以通過同步手段實(shí)現(xiàn)。一般我們說的不是線程安全的，絕大多數(shù)是指這個(gè)。比如ArrayList，HashMap等。

線程對立：
不管調(diào)用端是否采用了同步的措施，都無法在并發(fā)中使用的代碼。


五、線程安全的實(shí)現(xiàn)方式

要實(shí)現(xiàn)線程安全一般至少需要兩個(gè)特性：原子性和可見性

1）使用synchronize：它本具有原子性和可見性的，所以如果使用了synchronize修飾的操作，那么就自帶了可見性，synchronized使用悲觀鎖來實(shí)現(xiàn)線程安全

2）使用原子類代替基本數(shù)據(jù)類型，原子類是使用樂觀鎖來實(shí)現(xiàn)線程安全，多線程環(huán)境下執(zhí)行a++，可以使用AtomicInteger類incrementAndGet()方法實(shí)現(xiàn)，同樣是使用了volatile來保證可見性；使用Unsafe調(diào)用native本地方法CAS，CAS采用總線加鎖或緩存加鎖方式來保證原子性。

3 ) 使用volatile關(guān)鍵字,volatile不一定就有原子性，比如用volatile修飾的變量進(jìn)行++或者--操作（num++）,我們需要讓volatile修飾的變量需要具有原子性，那么我們一般可以設(shè)置在boolean類型變量上，如下

    volatile boolean tag = true;
    線程1 while(tag){};
    線程2 while(tag){};

如果有變量自增或者自減，我們可以使用原子類（AtomicInteger）

4）使用ThreadLocal對各個(gè)線程進(jìn)行隔離

可以參考我的這篇博客 ：Java之ThreaLocal

5）我們還可以用其他的鎖，比如重入鎖（ReentrantLock） 保證線程安全

6）我們還可以用 臨界區(qū)、互斥量、信號量 保證線程安全

 
 


 作者：chen.yu
深信服三年半工作經(jīng)驗(yàn)，目前就職游戲廠商，希望能和大家交流和學(xué)習(xí),
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