并发编程之多线程线程安全

一、什么是线程安全?

为什么有线程安全问题?

当多个线程同时共享,同一个全局变量或静态变量,做写的操作时,可能会发生数据冲突问题,也就是线程安全问题。但是做读操作是不会发生数据冲突问题。

案例:需求现在有100张火车票,有两个窗口同时抢火车票,请使用多线程模拟抢票效果。

代码:

public class ThreadTrain implements Runnable {
    private int trainCount = 100;

    @Override
    public void run() {
        while (trainCount > 0) {
            try {
                Thread.sleep(50);
            } catch (Exception e) {

            }
            sale();
        }
    }

    public void sale() {
        if (trainCount > 0) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售第" + (100 - trainCount + 1) + "张票");
            trainCount--;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ThreadTrain threadTrain = new ThreadTrain();
        Thread t1 = new Thread(threadTrain, "①号");
        Thread t2 = new Thread(threadTrain, "②号");
        t1.start();
        t2.start();
    }

}

运行结果:

一号窗口和二号窗口同时出售火车第九九张,部分火车票会重复出售。

结论发现,多个线程共享同一个全局成员变量时,做写的操作可能会发生数据冲突问题。

二、线程安全解决办法:

1、使用多线程之间同步synchronized或使用锁(lock)。

将可能会发生数据冲突问题(线程不安全问题),只能让当前一个线程进行执行。代码执行完成后释放锁,然后才能让其他线程进行执行。这样的话就可以解决线程不安全问题。

这样多个线程共享同一个资源,不会受到其他线程的干扰。

2、内置的锁

Java提供了一种内置的锁机制来支持原子性

每一个Java对象都可以用作一个实现同步的锁,称为内置锁,线程进入同步代码块之前自动获取到锁,代码块执行完成正常退出或代码块中抛出异常退出时会释放掉锁

内置锁为互斥锁,即线程A获取到锁后,线程B阻塞直到线程A释放锁,线程B才能获取到同一个锁

内置锁使用synchronized关键字实现,synchronized关键字有两种用法:

1.修饰需要进行同步的方法(所有访问状态变量的方法都必须进行同步),此时充当锁的对象为调用同步方法的对象

2.同步代码块和直接使用synchronized修饰需要同步的方法是一样的,但是锁的粒度可以更细,并且充当锁的对象不一定是this,也可以是其它对象,所以使用起来更加灵活

同步代码块synchronized

public void sale() {
        // 同步代码块(this明锁),
        synchronized (this) {
            if (trainCount > 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售第" + (100 - trainCount + 1) + "张票");
                trainCount--;
            }
        }
    }

同步方法

public synchronized void sale() {
        if (trainCount > 0) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售第" + (100 - trainCount + 1) + "张票");
            trainCount--;
        }
    }

静态同步函数

方法上加上static关键字,使用synchronized 关键字修饰 或者使用类.class文件。

静态的同步函数使用的锁是 该函数所属字节码文件对象

可以用 getClass方法获取,也可以用当前 类名.class 表示。

public static void sale() {
        synchronized (ThreadTrain3.class) {
            if (trainCount > 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售第" + (100 - trainCount + 1) + "张票");
                trainCount--;
            }
        }
}

synchronized 修饰方法使用锁是当前this锁。

synchronized 修饰静态方法使用锁是当前类的字节码文件

三、多线程死锁

同步中嵌套同步,导致锁无法释放

class Thread009 implements Runnable {
    private int trainCount = 100;
    private Object oj = new Object();
    public boolean flag = true;

    public void run() {

        if (flag) {
            while (trainCount > 0) {
                synchronized (oj) {
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (Exception e) {
                        // TODO: handle exception
                    }
                    sale();
                }

            }
        } else {
            while (trainCount > 0) {
                sale();
            }

        }

    }

    public synchronized void sale() {
        synchronized (oj) {
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (Exception e) {

            }
            if (trainCount > 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "," + "出售第" + (100 - trainCount + 1) + "票");
                trainCount--;
            }
        }
    }
}

public class Test009 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread009 threadTrain = new Thread009();
        Thread t1 = new Thread(threadTrain, "窗口1");
        Thread t2 = new Thread(threadTrain, "窗口2");
        t1.start();
        Thread.sleep(40);
        threadTrain.flag = false;
        t2.start();

    }
}}

四、Threadlocal

ThreadLocal提高一个线程的局部变量,访问某个线程拥有自己局部变量。

当使用ThreadLocal维护变量时,ThreadLocal为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本,所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本,而不会影响其它线程所对应的副本。

ThreadLocal的接口方法

ThreadLocal类接口很简单,只有4个方法,我们先来了解一下:

  • void set(Object value)设置当前线程的线程局部变量的值。
  • public Object get()该方法返回当前线程所对应的线程局部变量。
  • public void remove()将当前线程局部变量的值删除,目的是为了减少内存的占用,该方法是JDK 5.0新增的方法。需要指出的是,当线程结束后,对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收,所以显式调用该方法清除线程的局部变量并不是必须的操作,但它可以加快内存回收的速度。
  • protected Object initialValue()返回该线程局部变量的初始值,该方法是一个protected的方法,显然是为了让子类覆盖而设计的。这个方法是一个延迟调用方法,在线程第1次调用get()或set(Object)时才执行,并且仅执行1次。ThreadLocal中的缺省实现直接返回一个null。

class Res { // 生成序列号共享变量 public static Integer count = 0; public static ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<Integer>() { protected Integer initialValue() { return 0; }; }; public Integer getNum() { int count = threadLocal.get() + 1; threadLocal.set(count); return count; } } public class ThreadLocaDemo2 extends Thread { private Res res; public ThreadLocaDemo2(Res res) { this.res = res; } @Override public void run() { for (int i = 0; i < 3; i++) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---" + "i---" + i + "--num:" + res.getNum()); } } public static void main(String[] args) { Res res = new Res(); ThreadLocaDemo2 threadLocaDemo1 = new ThreadLocaDemo2(res); ThreadLocaDemo2 threadLocaDemo2 = new ThreadLocaDemo2(res); ThreadLocaDemo2 threadLocaDemo3 = new ThreadLocaDemo2(res); threadLocaDemo1.start(); threadLocaDemo2.start(); threadLocaDemo3.start(); } }

ThreadLoca实现原理

ThreadLoca通过map集合

Map.put(“当前线程”,值);

六、多线程有三大特性

Java内存结构(JVM),

原子性(保证线程安全、保持数据一致性);

可见性(某个线程修改全局变量的时候,其他的线程也能获取修改后的变量)

有序性

什么是原子性

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。

一个很经典的例子就是银行账户转账问题:

比如从账户A向账户B转1000元,那么必然包括2个操作:从账户A减去1000元,往账户B加上1000元。这2个操作必须要具备原子性才能保证不出现一些意外的问题。

我们操作数据也是如此,比如i = i+1;其中就包括,读取i的值,计算i,写入i。这行代码在Java中是不具备原子性的,则多线程运行肯定会出问题,所以也需要我们使用同步和lock这些东西来确保这个特性了。

原子性其实就是保证数据一致、线程安全一部分,

什么是可见性

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的值。

若两个线程在不同的cpu,那么线程1改变了i的值还没刷新到主存,线程2又使用了i,那么这个i值肯定还是之前的,线程1对变量的修改线程没看到这就是可见性问题。

什么是有序性

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,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。如下:

int a = 10; //语句1

int r = 2; //语句2

a = a + 3; //语句3

r = a*a; //语句4

则因为重排序,他还可能执行顺序为 2-1-3-4,1-3-2-4

但绝不可能 2-1-4-3,因为这打破了依赖关系。

显然重排序对单线程运行是不会有任何问题,而多线程就不一定了,所以我们在多线程编程时就得考虑这个问题了。

七、Java内存模型

共享内存模型指的就是Java内存模型(简称JMM),JMM决定一个线程对共享变量的写入时,能对另一个线程可见。从抽象的角度来看,JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系:线程之间的共享变量存储在主内存(main memory)中,每个线程都有一个私有的本地内存(local memory),本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。本地内存是JMM的一个抽象概念,并不真实存在。它涵盖了缓存,写缓冲区,寄存器以及其他的硬件和编译器优化。

Java内存模型(JMM java memory model),jmm决定一个线程对共享变量的写入时,能对另一个线程是否可见;

主内存:共享变量;

本地内存:共有变量的副本;

file

从上图来看,线程A与线程B之间如要通信的话,必须要经历下面2个步骤:
1. 首先,线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。
2. 然后,线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。
file

八、Volatile

可见性也就是说一旦某个线程修改了该被volatile修饰的变量,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,可以立即获取修改之后的值。

在Java中为了加快程序的运行效率,对一些变量的操作通常是在该线程的寄存器或是CPU缓存上进行的,之后才会同步到主存中,而加了volatile修饰符的变量则是直接读写主存。

Volatile 保证了线程间共享变量的及时可见性,但不能保证原子性:

class ThreadVolatileDemo extends Thread {
    public volatile   boolean flag = true;
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("开始执行子线程....");
        while (flag) {
        }
        System.out.println("线程停止");
    }
    public void setRuning(boolean flag) {
        this.flag = flag;
    }

}

public class ThreadVolatile {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ThreadVolatileDemo threadVolatileDemo = new ThreadVolatileDemo();
        threadVolatileDemo.start();
        Thread.sleep(3000);
        threadVolatileDemo.setRuning(false);
        System.out.println("flag 已经设置成false");
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(threadVolatileDemo.flag);

    }
}

Volatile与Synchronized区别

  1. 从而我们可以看出volatile虽然具有可见性但是并不能保证原子性。
  2. 性能方面,synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码,就会影响程序执行效率,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。

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