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多线程 (五) 线程安全及解决方案(看这一篇就够了)

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前言

** 🦕**在多线程环境下如果说代码运行的结果是符合我们预期的,即该代码在单线程中运行得到的结果,那么就说这个程序是线程安全的,否则就是线程不安全的.下面带大家仔细给大家讲解一下线程不安全问题!

1. 造成线程不安全的原因有哪些呢？

1）抢占式执行，调度过程随机（也是万恶之源，无法解决）

2）多个线程同时修改同一个变量（可以适当调整代码结构，避免这种情况）

3）针对变量的操作，不是原子的（加锁，synchronized)

4)内存可见性，一个线程频繁读，一个线程写（使用volatile）

5）指令重排序（使用synchronized加锁或者volatile禁止指令重排序)

1.1什么是原子性

案例引入

我们把一段代码想象成一个房间，每个线程就是要进入这个房间的人。如果没有任何机制保证，A进入房间之后，还没有出来；B 是不是也可以进入房间，打断 A 在房间里的隐私。这个就是不具备原子性的!

那我们应该如何解决这个问题呢？是不是只要给房间加一把锁，A 进去就把门锁上，其他人是不是就进不来了。这样就保证了这段代码的原子性了。
有时也把这个现象叫做同步互斥，表示操作是互相排斥的。
一条 java 语句不一定是原子的，也不一定只是一条指令(例如++操作,内部三条指令构成)

原子性是指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。

一组操作（一行或多行代码）是不可拆分的最小执行单位，就表示这组操作是具有原子性的

多个线程多次的并发并行的对一个共享变量操作时，该操作就不具有原子性

在Java中，对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作，即这些操作是不可被中断的，要么执行，要么不执行。

上面一句话虽然看起来简单，但是理解起来并不是那么容易。看下面一个例子：

x = 10;     //语句1
y = x;         //语句2
x++;         //语句3
x = x + 1;     //语句4

注意：其实只有语句1是原子性操作，其他三个语句都不是原子性操作。

  • 语句1是直接将数值10赋值给x，也就是说线程执行这个语句的会直接将数值10写入到工作内存中。
  • 语句2实际上包含2个操作，它先要去读取x的值，再将x的值写入工作内存，虽然读取x的值以及将x的值写入工作内存，这2个操作都是原子性操作，但是合起来就不是原子性操作了。
  • 同样的，x++和 x = x+1包括3个操作：读取x的值，进行加1操作，写入新的值

也就是说，只有简单的读取、赋值（而且必须是将数字赋值给某个变量，变量之间的相互赋值不是原子操作）才是原子操作。

从上面可以看出，Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作，如果要实现更大范围操作的原子性，可以通过synchronized和Lock来实现。

由于synchronized和Lock能够保证任一时刻只有一个线程执行该代码块，那么自然就不存在原子性问题了，从而保证了原子性。

1.2什么是内存可见性

多个线程工作的时候都是在自己的工作内存中来执行操作的，线程之间是不可见的

  1. 线程之间的共享变量存在主内存(实际内存)
  2. 每一个线程都有自己的工作内存(CPU寄存器+缓存)
  3. 线程读取共享变量时，先把变量从主存拷贝到工作内存，再从工作内存读取数据
  4. 线程修改共享变量时，先修改工作内存中的变量值，再同步到主内存

​

注意：

（1）线程对共享变量的所有操作都必须在自己的工作内存中进行，不能绕过工作内存直接从主内存中读写变量

（2）不同线程之间无法直接访问其他线程工作内存中的变量，线程之间变量值的传递需要通过主内存来完成

此时引入了两个问题
为啥要整这么多内存?
为啥要这么麻烦的拷来拷去?
1) 为啥整这么多内存?
实际并没有这么多 "内存". 这只是 Java 规范中的一个术语, 是属于 "抽象" 的叫法.
所谓的 "主内存" 才是真正硬件角度的 "内存". 而所谓的 "工作内存", 则是指 CPU 的寄存器和高速缓存
2) 为啥要这么麻烦的拷来拷去?
因为 CPU 访问自身寄存器的速度以及高速缓存的速度, 远远超过访问内存的速度(快了 3 - 4 个数量级, 也就是几千倍, 上万倍).
比如某个代码中要连续 10 次读取某个变量的值, 如果 10 次都从内存读, 速度是很慢的. 但是如果只是第一次从内存读, 读到的结果缓存到 CPU 的某个寄存器中, 那么后 9 次读数据就不必直接访问内存了. 效率就大大提高了.
那么接下来问题又来了, 既然访问寄存器速度这么快, 还要内存干啥??
答案就是一个字: 贵
值的一提的是, 快和慢都是相对的. CPU 访问寄存器速度远远快于内存, 但是内存的访问速度又远远快于硬盘.对应的, CPU 的价格最贵, 内存次之, 硬盘最便宜

1.3共享变量可见性实现的原理

线程1对共享变量的修改要想被线程2及时看到，必须要经过如下的2个步骤

（1）把工作内存1中更新过的共享变量刷新到主内存中

（2）将主内存中最新的共享变量的值更新到工作内存2中

变量传递顺序

​

1.4 什么是指令重排序

JVM翻译字节码指令，CPU执行机器码指令，都可能发生重排序来优化执行效率

比如有这样三步操作：(1) 去前台取U盘 (2) 去教室写作业 (3) 去前台取快递
JVM会对指令优化，也就是重排序，新的顺序为(1)(3)(2),这样就可以少跑一次前台,以此提高效率,这就叫做指令重排序.

编译器对于指令重排序的前提是 "保持逻辑不发生变化". 这一点在单线程环境下比较容易判断, 但
是在多线程环境下就没那么容易了, 多线程的代码执行复杂程度更高, 编译器很难在编译阶段对代
码的执行效果进行预测, 因此激进的重排序很容易导致优化后的逻辑和之前不等价.
重排序是一个比较复杂的话题, 涉及到 CPU 以及编译器的一些底层工作原理, 此处不做过多讨论

2.解决线程安全问题

引入count++问题

class Counter {
    private int count =0;
    public void add() {
            count++;
    }
    public int getCount() {
        return count;
    }
}
public class ThreadDemo1 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Counter counter =new Counter();
        Thread t1 =new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                counter.add();
            }
        });
        Thread t2 =new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                counter.add();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(counter.getCount());
    }
}

运行上述代码我们会发现每次都结果是小于100000的，因为上面两个线程在实际对count进行++操作的时候并不满足原子性,导致最终的结果一直不是我们想要的,这就是由于不满足原子性所导致的线程不安全问题!!!

count++操作,本质上是有三个CPU指令构成

1.load,把内存中的数据读到CPU寄存器中

2.add,就是把寄存器中的值进行+1运算

3.save,把寄存器中的值写回到内存中

在这里插入图片描述

** 由于CPU的抢占式执行,导致两个线程同时进行count++操作的时候,内部的三个CPU指令不能完整一次性执行完,例如在第一个线程在执行的时候先读取共享变量count的值到自己的寄存器中,还没来得及修改,第二个线程获取到了CPU的执行权开始执行,此时线程2线读取共享变量到自己的工作内存(寄存器中)进行修改,最后再同步到主内存(就是更新共享变量count的值),当线程2执行完毕后,线程1再次获得CPU的执行权继续执行未完成的操作,将自己寄存器中的count进行修改再同步到主内存中,此时由于两次修改实际上只修改成功一次,这就是由于原子性引起的线程不安全问题!**

2.1 引入关键字synchronized解决线程不安全问题

(1) synchronized的使用方法(锁)

修饰方法：修饰普通方法时，关键字在public前后都可，锁对象是 this，也就是谁调用谁上锁。修饰静态方法时，锁对象是类对象。

修饰代码块：修饰代码块时，显式(手动)指定锁对象。

对于构造方法来说，如果加锁，不能直接加在方法上，但是内部可以使用代码块的方法，来加锁。

代码演示

    
    //修饰普通方法
    public synchronized void doSomething(){
        //...
    }

    //修饰代码块
    public void doSomething(){
        synchronized (this) {
            //...
        }
    }
    
    //修饰静态方法(与下面效果相同都是锁类对象)
    public static synchronized void doSomething(){
        //...
    }

    //修饰静态方法
    public static void doSomething(){
        synchronized (A.class) {
            //...
        }
    }

(2)synchronized的作用

sychronized是基于对象头加锁的，特别注意：不是对代码加锁，所说的加锁操作就是给这个对象的对象头里设置了一个标志位

一个对象在同一时间只能有一个线程获取到该对象的锁
sychronized保证了原子性，可见性，有序性（这里的有序不是指指令重排序，而是具有相同锁的代码块按照获取锁的顺序执行）

(2.1) 互斥性

synchronized 会起到互斥效果, 某个线程执行到某个对象的 synchronized 中时, 其他线程如果也执行到同一个对象 synchronized 就会阻塞等待

进入 synchronized 修饰的代码块, 相当于 加锁
退出 synchronized 修饰的代码块, 相当于 解锁

下面图加深理解:

阻塞等待：

针对每一把锁, 操作系统内部都维护了一个等待队列. 当这个锁被某个线程占有的时候,其他线程尝试进行加锁, 就加不上了，就会阻塞等待, 一直等到之前的线程解锁之后, 由操作系统唤醒一个新的线程, 再来获取到这个锁!

(2.2) 刷新主存

synchronized锁住共享变量时的工作流程：

🐳获得互斥锁
🐳从主存拷贝最新的变量到工作内存
🐳对变量执行操作
🐳将修改后的共享变量的值刷新到主存
🐳释放互斥锁

(2.3) 可重入性

synchronized是可重入锁
同一个线程可以多次申请成功一个对象锁

在可重入锁的内部, 包含了 "线程持有者" 和 "计数器" 两个信息.
如果某个线程加锁的时候, 发现锁已经被人占用, 但是恰好占用的正是自己, 那么仍然可以继续获取
到锁, 并让计数器自增.
解锁的时候计数器递减为 0 的时候, 才真正释放锁. (才能被别的线程获取到)

    可重入锁的意义就是降低程序员负担（使用成本来提高开发效率），代价就是程序的开销增大（维护锁属于哪个线程，并且加减计数，降低了运行效率）

如下图:

(3)优化后的代码(加锁后)

class Counter {
    private int count =0;
    synchronized public void add() {
            count++;
    }
    public int getCount() {
        return count;
    }
}
public class ThreadDemo1 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Counter counter =new Counter();
        Thread t1 =new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                counter.add();
            }
        });
        Thread t2 =new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                counter.add();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(counter.getCount());
    }
}

2.2. 关于锁/同步监视器的总结(重点掌握)：

总结1：认识同步监视器（锁） ----- synchronized(同步监视器){ }

**🐳必须是引用数据类型，不能是基本数据类型
🐳也可以创建一个专门的同步监视器，没有任何业务含义
🐳一般使用共享资源做同步监视器即可
🐳在同步代码块中不能改变同步监视器对象的引用 **

🐳尽量不要String和包装类Integer做同步监视器
🐳建议使用final修饰同步监视器

总结2：同步代码块的执行过程(重点理解)

1)第一个线程来到同步代码块，发现同步监视器open状态，需要close,然后执行其中的代码
2)第一个线程执行过程中，发生了线程切换（处于阻塞就绪状态），第一个线程失去了cpu，但是没有开锁(open)
3)第二个线程获取了cpu，来到了同步代码块，发现同步监视器close状态，无法执行其中的代码，第二个线程也进入阻塞状态
4)第一个线程再次获取CPU,接着执行后续的代码；同步代码块执行完毕，释放锁open
5)第二个线程也再次获取cpu，来到了同步代码块，发现同步监视器open状态，拿到锁并且上锁，由阻塞状态进入就绪状态，再进入运行状态，重复第一个线程的处理过程（加锁）
强调：同步代码块中能发生CPU的切换吗？能！！！但是后续的被执行的线程也无法执行同步代码块（因为锁仍旧close）

总结3：多个代码块使用同一个同步监视器（锁）

1)多个代码块使用了同一个同步监视器（锁），锁住一个代码块的同时，也锁住所有使用该锁的所有代码块，其他线程无法访问其中的任何一个代码块
2)多个代码块使用了同一个同步监视器（锁），锁住一个代码块的同时，也锁住所有使用该锁的所有代码块，但是没有锁住使用其他同步监视器的代码块，其他线程有机会访问其他同步监视器的代码块

2.3. 引入volatile解决线程安全问题

(1) volatile保证内存可见性

引入一个线程不安全的场景:

当一个线程对一个变量进行读取操作，同时另一个线程针对这个变量进行修改，此时读到的值不一定是修改后的值，这是编译器在多线程环境下优化时产生了误判,从而引起了bug

代码演示:

class Sign{
     public boolean flag = false;
}
 
public class ThreadDemo4{
 
 
    public static void main(String[] args) {
        Sign sign = new Sign();
 
        Thread t1 = new Thread(()->{
 
            while(!sign.flag){
 
            }
            System.out.println("执行完毕");
        });
        Thread t2 = new Thread(()->{
            sign.flag = true;
        });
        t1.start();
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        t2.start();
 
    }
}

运行上述代码我们会发现,程序会一直运行，while感知不到flag的变化。原因就是，执行到线程2的时候，while一直循环跑了好多遍，flag一直是false，所以编译器对代码进行优化,默认为程序不变，不再从内存中读取flag的值，而是读取寄存器中不变的flag的值，等到线程2执行到flag变量后，尽管修改掉了内存中flag的值，但是寄存器中的flag依旧为原来的值，所以while一直感知到的flag是没变的，一直循环跑。

那么如何解决该问题呢?

用volatile来修饰变量,通过保证内存可见性来解决上述问题,每次读取用volatile修饰的变量的值，都会从主内存中读取该变量。

通俗地讲：volatile变量在每次被线程访问时，都强迫从主内存中重读该变量的值，而当该变量发生变化时，又会强迫线程将最新的值刷新到主内存。这样在任何时刻，不同的线程总能看到该变量的最新值。

那么，线程修改volatile变量的过程：

（1）改变线程工作内存中volatile变量副本的值

（2）将改变后的副本的值从工作内存刷新到主内存

线程读volatile变量的值的过程：

（1）从主内存中读取volatile变量的最新值到线程的工作内存中

（2）从工作内存中读取volatile变量的副本

(2) volatile禁止指令重排序

我们这里拿实例化一个对象举例

SomeObject s=new SomeObject(); //保证对象实例化正确

1.堆里申请内存空间，初始化为0x0

2.对象初始化工作：构造代码块，属性的定义时初始化，构造方法（这才算是一个正确对象）

3.赋值给s

volatile禁止重排序，只能1->2->3,如果1->3->2在3到2之间有线程（线程调度随机）使用对象，其对象是错的即出现问题。

能准确的表明其作用是单列模式：(这个我们后面会再讲)

单列模式分为饿汉模式（在类加载期间就进行对象实例化），懒汉模式（第一次用到时进行对象的实例化）

其懒汉模式实现如下：假如多个线程走先判断对象没有实例化，对类加锁（一个线程持有锁，但这是不知道是否实例化），所以要再判断是否实例化，没有实例化进行实例化，实例化了就返回对象，这里volatile就是要确保实例化正确。

标签： java jvm 开发语言
本文转载自: https://blog.csdn.net/m0_53882348/article/details/129680007
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