多线程间的同步与锁
1、线程问题
多个线程并发执行可以提高我们程序的执行速度和效率，但也会带来缓存不一致、执行顺序无序等问题，java提供了一些锁和同步的机制，一些原子类，线程安全集合等手段来保证线程之间的安全执行。
2、保证线程安全的三个方面：原子性、可见性、有序性
- 原子性：原子性一般指一组操作是一个整体，要么全部成功，要么全部失败。
多线程下的原子性表现为线程对共享变量的操作是不可分割的，即操作共享变量的其他线程，只能看到执行前或执行后的结果，不能看到操作的中间状态。
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可见性：一个线程修改了共享变量的值，其他线程能立即得知这个修改。
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有序性：指的是程序执行的指令按代码顺序执行，因为在java中编译器和处理器会对指令进行重排序，可能会对多线程任务结果造成影响。
3、synchronized
- synchronized定义
java提供同步机制的关键字，当它用来修饰一个方法或代码块的时候，能保证该代码块的同步执行，及多个线程同一时间只能有一个执行同步代码块。
synchronized锁有两类范围，一个是实例锁，一个是类锁，也就是synchronized(this or Object.class)。
- synchronized的锁的简单表现
1、当一个线程持有synchronized锁后，其他线程不能访问该对象的synchronized方法，但可以访问非synchronized方法，体现锁的互斥性。
2、当一个线程持有synchronized锁之后，可以任意调用该对象的其他synchronized方法，体现锁的可重入性。
3、类锁和实例锁，synchronized的两个作用域，两者之间是不会相互影响的。
4、使用synchronized锁时，要注意锁的粒度，即要注意不要用synchronized同步没必要保证同步的代码块。
- synchronized的原理
synchronized的语义底层是通过一个Object的monitor的监视器对象来完成对代码块的锁定，每个对象都有自己的一个monitor监视器对象，如果线程没有获得对象监视器，就会处于阻塞状态（Blocking）。
示例方法：
public synchronized String getName(){
return name;
}
public void setName(String name) throws InterruptedException {
synchronized (this){
this.name = name;
this.wait();
}
}
注：javac Some.java -> javap -verbose Some
反编译后：
经过反编译后可以发现synchronized修饰后的代码块前后加上了monitorenter和monitorexit这两条指令。
线程执行synchronized方法块的流程：对应monitorenter和monitorexit指令
monitorenter:
每个对象有一个监视器锁（monitor）。当monitor被占用时就会处于锁定状态，线程执行monitorenter指令时尝试获取monitor的所有权，过程如下：
1、如果monitor的进入数为0，则该线程进入monitor，然后将进入数设置为1，该线程即为monitor的所有者。
2、如果线程已经占有该monitor，只是重新进入，则进入monitor的进入数加1.
3、如果其他线程已经占用了monitor，则该线程进入阻塞状态，直到monitor的进入数为0，再重新尝试获取monitor的所有权
monitorexit:
指令执行时，monitor的进入数减1，如果减1后进入数为0，那线程退出monitor，不再是这个monitor的所有者。其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去获取这个 monitor 的所有权。
从这里我们可以看到synchronized锁是排他的，是可重入的。
4、volatile
- JMM模型 线程和主内存之间的抽象关系,实际上跟CPU的高速缓存有关。
共享变量存储在主内存中，每个线程有一个私有的内存空间(CPU内的高速缓存)保存着共享变量的副本，线程对共享变量操作是直接对本地内存进行操作，这会造成共享变量的不一致性。
- volatile 保证共享变量的可见性
volatile修饰的共享变量，当一个线程对这个变量进行修改操作后，jvm会把线程本地内存中变量的新值刷新到主内存中，持有这个变量的其他线程，在私有内存中变量会失效，从主内存重新获取。
基础例子：通过volatile修饰的变量isStop变量才能保证两个线程对isStop的可见性
static boolean isStop = false;//加不加volatile
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread thread1 = new Thread(() -> {
isStop = true;
System.out.println("thread1 is end");
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
while(!isStop){
}
System.out.println("thread2 is end");
});
thread2.start();
Thread.sleep(1000);
thread1.start();
}
- volatile 保证操作的有序性
重排序：
编译器和处理器对于操作指令没有数据依赖的情况下，可能会发生指令序列的重排序。
volatile保证有序性：禁止编译器的优化和重排、通过内存屏障限制处理器重排。
内存屏障的作用：
1、确保指令重排序时不会把屏障后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障后面。
2、强制把写缓冲区/高速缓存中的数据等写回主内存，让缓存中相应的数据失效；
- volatile 内存屏障
Load Barrier 读屏障
在指令前插入Load Barrier，可以让高速缓存中的数据失效，强制重新从主内存加载数据；
Store Barrier 写屏障
利用缓存一致性机制强制将对缓存的修改操作立即写入主存，让其他线程可见，并且缓存一致性机制会阻止同时修改由两个以上CPU缓存的内存区域数据。
5、synchronized+volatile实现懒汉式单例的双重检查
加synchronized的作用：保证多线程状态下，只有一个线程执行new SingletonThread2 操作
第二个if(instance == null)作用: 如果A、B两个线程都通过第一次(instance == null)检查，进入同步块执行，A执行了同步块，创建了SingletonThread2 对象，B线程就不能在执行new操作了。
加volatile作用：禁止重排序，instance = new SingletonThread2()操作并不是原子的，可以拆分为3步，java编译器和处理器可能会进行指令重排序，会造成instance已经有内存地址，却没有初始化，这种情况下会获取一个空的instance对象。
public class SingletonThread2 {
// 禁止指令重排序
private volatile static SingletonThread2 instance;
public static SingletonThread2 getInstance() {
if (instance == null) {
// 加同步锁
synchronized (SingletonThread2.class){
if(instance == null){
//防止多个线程在外边等待进入
instance = new SingletonThread2();
// 指令重排序可能会变成 1 -> 3 ->2
// 1、memory = allocate(); //分配SingletonThread2对象的内存空间地址
// 2、ctorInstance(memory); //初始化对象,赋初值
// 3、instance = memory; //设置instance指向刚分配的内存地址
}
}
}
return instance;
}
}
6、补充知识: MESI 缓存一致性协议
MESI是一种比较常用的缓存一致性协议，MESI表示缓存行的四种状态，分别是：
1、M(Modify) 表示共享数据只缓存在当前 CPU 缓存中，并且是被修改状态，也就是缓存的数据和主内存中的数据不一致
2、E(Exclusive) 表示缓存的独占状态，数据只缓存在当前CPU缓存中，并且没有被修改
3、S(Shared) 表示数据可能被多个 CPU 缓存，并且各个缓存中的数据和主内存数据一致
4、I(Invalid) 表示缓存已经失效
在 MESI 协议中，每个缓存的缓存控制器不仅知道自己的读写操作，而且也监听(snoop)其它CPU的读写操作。
对于 MESI 协议，从 CPU 读写角度来说会遵循以下原则：
CPU读请求：缓存处于 M、E、S 状态都可以被读取，I 状态CPU 只能从主存中读取数据
CPU写请求：缓存处于 M、E 状态才可以被写。对于S状态的写，需要将其他CPU中缓存行置为无效才行。
参考：https://blog.csdn.net/mashaokang1314/article/details/88803900 (从硬件内存架构理解Volatile(内存屏障))