多线程与线程安全

作者: 码道功臣 | 来源:发表于2019-05-06 19:01 被阅读0次

多线程核心问题

多线程要解决的核心问题包括三个，分别是原子性问题，可见性问题，有序性问题

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。
经典的例子就是银行转账案例。

代码实例1：

i = i + 1;

上述代码最终在CPU中执行的过程：
每个线程在执行上述代码过程中，为了提高CUP性能，会将i值从主存中COPY到CUP的高速缓存中（每个线程运行时有自己的高速缓冲区），当计算完成后，先将计算结果放到高速缓存中，然后再刷新到主存中。
多线程情况下就会出现，由于i值的更新没有同步到其他线程导致计算结果出错的问题。

代码实例2：

x = 10;    //语句1，原子操作
y = x;     //语句2，非原子操作。读取x并写入工作内存 > 将x赋值给y > 将y值更新到工作内存 > 将y值更新到主存
x++;       //语句3，非原子操作。读取x并写入工作内存 > x累加1 > 将x更新到工作内存 > 将x更新到主内存
x = x + 1; //语句4，非原子操作。读取x并写入工作内存 > 将x加1 > 将x更新到工作内存 > 将x更新到主内存

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。

可见性

是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改这个修改。

对于可见性，Java提供了volatile关键字来保证可见性。

当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。
而普通的共享变量不能保证可见性，因为普通共享变量被修改之后，什么时候被写入主存是不确定的，当其他线程去读取时，此时内存中可能还是原来的旧值，因此无法保证可见性。
另外，通过synchronized和Lock也能够保证可见性，synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。

有序性

即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

一般来说，处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，进行指令重排序，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。
如：

int a = 10;   //语句1
int r = 2;    //语句2
a = a + 3;    //语句3
r = a * a;      //语句4

上面代码经过指令重排后的执行顺序可能是: 语句2 -- 语句1 -- 语句3 -- 语句4 。
在多线程场景下，指令重排也会对执行结果产生影响。

线程的生命周期

图片.png

Java线程具有五中基本状态：

新建状态（New）：当线程对象对创建后，即进入了新建状态，如：Thread t = new MyThread();
就绪状态（Runnable）：当调用线程对象的start()方法（t.start();），线程即进入就绪状态。处于就绪状态的线程，只是说明此线程已经做好了准备，随时等待CPU调度执行，并不是说执行了t.start()此线程立即就会执行；
运行状态（Running）：当CPU开始调度处于就绪状态的线程时，此时线程才得以真正执行，即进入到运行状态。注：就绪状态是进入到运行状态的唯一入口，也就是说，线程要想进入运行状态执行，首先必须处于就绪状态中；
阻塞状态（Blocked）：处于运行状态中的线程由于某种原因，暂时放弃对CPU的使用权，停止执行，此时进入阻塞状态，直到其进入到就绪状态，才有机会再次被CPU调用以进入到运行状态。根据阻塞产生的原因不同。
阻塞状态又可以分为三种：
1.等待阻塞：运行状态中的线程执行wait()方法，使本线程进入到等待阻塞状态；
2.同步阻塞 -- 线程在获取synchronized同步锁失败(因为锁被其它线程所占用)，它会进入同步阻塞状态；
3.其他阻塞 -- 通过调用线程的sleep()或join()或发出了I/O请求时，线程会进入到阻塞状态。当sleep()状态超时、join()等待线程终止或者超时、或者I/O处理完毕时，线程重新转入就绪状态。
死亡状态（Dead）：线程执行完了或者因异常退出了run()方法，该线程结束生命周期。

线程的创建

两种手段，一种是继续Thread类，另外一种是实现Runable接口.(其实准确来讲，应该有三种，还有一种是实现Callable接口，并与Future、线程池结合使用）
如果一个类继承Thread，则不适合资源共享。但是如果实现了Runable接口的话，则很容易的实现资源共享。

实现Runnable接口比继承Thread类所具有的优势：

适合多个相同的程序代码的线程去处理同一个资源
可以避免java中的单继承的限制
增加程序的健壮性，代码可以被多个线程共享，代码和数据独立
线程池只能放入实现Runable或callable类线程，不能直接放入继承Thread的类

多线程控制类及关键字

synchronized

对象同步锁：synchronized是对对象加锁，可作用于对象、方法（相当于对this对象加锁）、静态方法（相当于对Class实例对象加锁，锁住的该类的所有对象）以保证并发环境的线程安全。同一时刻只有一个线程可以获得锁。

其底层实现是通过使用对象监视器Monitor，每个对象都有一个监视器，当线程试图获取Synchronized锁定的对象时，就会去请求对象监视器（Monitor.Enter()方法），如果监视器空闲，则请求成功，会获取执行锁定代码的权利；如果监视器已被其他线程持有，线程进入同步队列等待。

Lock

与synchronized功能类似。

Lock与synchronized的区别：
1、Lock可以通过tryLock()方法非阻塞地获取锁。如果获取了锁即立刻返回true，否则立刻返回false。这个方法还有加上定时等待的重载方法tryLock(long time, TimeUnit unit)方法，在定时期间内，如果获取了锁立刻返回true，否则在定时结束后返回false。在定时等待期间可以被中断，抛出InterruptException异常。而synchronized在获得锁的过程中是不可被中断的。

2、Lock可以通过lockInterrupt()方法可中断的获取锁，与lock()方法不同的是等待时可以响应中断，抛出InterruptException异常。

3、synchronized是隐式的加锁解锁，而Lock必须显示的加锁解锁，而且解锁应放到finnally中，保证一定会被解锁，否则，有可能会产生死锁的问题。而synchronized在出现异常时也会自动解锁，但是对于锁的粒度控制比较粗，同时对于实现一些锁的状态的转移比较困难。但也因为这样，Lock更加灵活。

4、synchronized是JVM层面上的设计，对对象加锁，基于对象监视器。Lock是代码实现的。

可重入锁

ReentrantLock与synchronized都是可重入锁。可重入意味着，获得锁的线程可递归的再次获取锁。当所有锁释放后，其他线程才可以获取锁。

ReentrantLock具有公平和非公平两种模式，也各有优缺点：
公平锁是严格的以FIFO的方式进行锁的竞争，但是非公平锁是无序的锁竞争，刚释放锁的线程很大程度上能比较快的获取到锁，队列中的线程只能等待，所以非公平锁可能会有“饥饿”的问题。但是重复的锁获取能减小线程之间的切换，而公平锁则是严格的线程切换，这样对操作系统的影响是比较大的，所以非公平锁的吞吐量是大于公平锁的，这也是为什么JDK将非公平锁作为默认的实现。

公平锁与非公平锁

“公平性”是指是否等待最久的线程就会获得资源。如果获得锁的顺序是顺序的，那么就是公平的。不公平锁一般效率高于公平锁。ReentrantLock可以通过构造函数参数控制锁是否公平。

ReentrantReadWriteLock（读写锁）

是一种非排它锁，一般的锁都是排他锁，就是同一时刻只有一个线程可以访问，比如synchronized和Lock。读写锁就多个线程可以同时获取读锁读资源，当有写操作的时候，获取写锁，写操作时，其他读写操作都将被阻塞，直到写锁释放。读写锁适合写操作较多的场景，效率较高。

乐观锁与悲观锁

在Java中的实际应用类并不多，大多用在数据库锁上。

死锁

是当两个线程互相等待获取对方的对象监视器时就会发生死锁。一旦出现死锁，整个程序既不会出现异常也不会有提示，但所有线程都处于阻塞状态。死锁一般出现于多个同步监视器的情况。

BlockingQueue

阻塞队列。该类是java.util.concurrent包下的重要类，通过对Queue的学习可以得知，这个queue是单向队列，可以在队列头添加元素和在队尾删除或取出元素。类似于一个管道，特别适用于先进先出策略的一些应用场景。
除了传统的queue功能（表格左边的两列）之外，还提供了阻塞接口put和take，带超时功能的阻塞接口offer和poll。put会在队列满的时候阻塞，直到有空间时被唤醒；take在队　列空的时候阻塞，直到有东西拿的时候才被唤醒。用于生产者-消费者模型尤其好用，堪称神器。
常见的阻塞队列有：ArrayListBlockingQueue、LinkedListBlockingQueue、DelayQueue、SynchronousQueue

ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap从JDK1.5开始随java.util.concurrent包一起引入JDK中，主要为了解决HashMap线程不安全和Hashtable效率不高的问题。众所周知，HashMap在多线程编程中是线程不安全的，而Hashtable由于使用了synchronized修饰方法而导致执行效率不高；因此，在concurrent包中，实现了ConcurrentHashMap以使在多线程编程中可以使用一个高性能的线程安全HashMap方案。
JDK1.7之前的ConcurrentHashMap使用分段锁机制实现，JDK1.8则使用数组+链表+红黑树数据结构和CAS原子操作实现ConcurrentHashMap。

ThreadPoolExecutor

ExecutorService e = Executors.newCachedThreadPool();
ExecutorService e = Executors.newSingleThreadExecutor();
ExecutorService e = Executors.newFixedThreadPool(3);
// 第一种是可变大小线程池，按照任务数来分配线程，
// 第二种是单线程池，相当于FixedThreadPool(1)
// 第三种是固定大小线程池。
// 然后运行
e.execute(new MyRunnableImpl());

该类内部是通过ThreadPoolExecutor实现的，掌握该类有助于理解线程池的管理，本质上，他们都是ThreadPoolExecutor类的各种实现版本。

volatile

被volatile修饰的变量：

保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。
添加“内存栅栏”，禁止进行指令重排序。

volatile关键字描述后的代码会多出一个lock前缀指令，lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏）。

内存屏障的功能：

保证指令重排序的正确性（volatile 变量代码禁止指令重排序）；
强制将缓存的修改立即同步到主存；
如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行失效。

volatile相当于轻量级的synchronized，synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码，那么就会很影响程序执行效率，而volatile关键字在某些情况下性能要优于synchronized，但是要注意volatile关键字是无法替代synchronized关键字的，因为volatile关键字无法保证操作的原子性。