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；

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。
   

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。