java 并发编程二

竞态条件和同步

1、竞态条件(Race Condition) :两个以上的线程同时对一个公用的变量进行读写操作，由于执行顺序无法控制，导致结果出现错误。

计算输出：比如方法调用的结果
不受控制：比如线程调度是不受控制的，具有随机性
顺序或时机：比如那个线程先执行，执行到哪一行代码由OS切换出去，那个线程切换进来有CPU执行

下面举个浅显的例子，假设有这样一个计算器：

public class Calculator
{
    private final int[] input;
    private int         start;
    private int         end;
    public Calculator( int start, int end )
    {
        super();
        this.input = new int[] { start, end };
        reset();
    }
    private void reset()
    {
        start = input[0];
        end = input[1];
    }
    public int add()
    {
        int res = 0;
        for ( ; start <= end; start++ )
            res += start;
        reset();
        return res;
    }
}

我们期望它每次计算都能输出正确的结果，下面有两个线程连续调用计算器100次：

private static class CalculateThread extends Thread
{
    private Calculator calculator;
 
    public CalculateThread( Calculator calculator )
    {
        super();
        this.calculator = calculator;
    }
 
    public void run()
    {
        for ( int i = 0; i < 1000; i++ )
            System.out.println( calculator.add() );
    }
}
 
public static void main( String[] args )
{
    Calculator calculator = new Calculator( 0, 100 );
    new CalculateThread( calculator ).start(); //线程1
    new CalculateThread( calculator ).start(); //线程2
}

观察计算结果，可以看到，大部分的调用能够得到正确的和5050，但是会有一些随机的值夹杂其中，例如0、4189、1766…… 而且每次运行的输出结果都不一样。这就是典型的竞态条件场景了，线程1在调用add()方法时，随时可能因为OS的线程调度而暂停运行，这个时候calculator处于一种不一致的中间状态，此时线程2来发起/继续它的add()调用，calculator的两个状态字段的值是不确定的、随机的，因而计算结果必然不可靠。

之所以大部分结果是正确的，是因为CPU分配给线程的时间片相对于add()中的循环来说，是非常漫长的，因此大部分情况下线程能够不受干扰的一次执行完这个方法。

即使是一些非常简单的代码，也可能引入竞态条件：

public class IntCounterTest {
    private static int counter = 0;
    private static class CounterThread extends Thread {
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10000000; i++)
                synchronized (this) {
                    counter++;
                }
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CounterThread t1 = new CounterThread();
        t1.start();
        CounterThread t2 = new CounterThread();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(counter);
    }
}

上面的例子中，我们让t1、t2两个线程分别把计数器的值增加1000万，期望结果应该是2000万，但是几乎每次运行结果都不正确。什么原因呢？因为++操作符至少包含三条指令：

从main memory 中读取变量到local memory
进行变量计算
将结果更新到main memory

出现竞态条件的根本原因是一项操作(例如一个方法调用、一次计算)不是原子(atomic)操作。

2、synchronize

是让一个java的方法编程原子的，那么就需要线程在执行这个方法时不受干扰，即其他线程不会来修改共享内存的状态。达到这一目的就是采用互斥锁(Mutex Lock) 机制，该机制可以保持同一时刻只有一个线程对关键的、修改共享资源状态的代码具有访问权。Java语言支持互斥锁机制--synchronize关键字，我们可以对上例的代码进行改写：

private static class CounterThread extends Thread
{
    public void run()
    {
        for ( int i = 0; i < 10000000; i++ )
            //限制同一时刻只有一个人能访问对象IntCounterTest.class
            //由于这个类对象是全局唯一的，因此同一时刻只有一个线程能对counter进行递增
            synchronized ( IntCounterTest.class )
            {
                counter++;
            } //在同步块的边界，所有寄存器变量的值被视为无效
    }
}

这样再执行，结果就总是2000万了。不过使用synchronized的代价是高昂的，在我机器上测试，修改前后代码运行耗时相差超过100倍。Java5提供的AtomicInteger性能相对较好（仍然有10倍性能差距），可以用来代替上例的int。

等待（阻塞）在synchronized块入口的线程，和sleep的线程、wait的线程，从Linux系统的角度来说，都处于S（可中断睡眠）状态。

volatile

在Java中除了long、double以外变量的存储和读取都是原子操作，因此这些变量的读取和存储不会有中间状态。即便如此，没有受保护的共享变量任然是不安全的，因为Java的内存模型允许线程持有共享变量的本地内存(Local memory,往往是寄存器) 拷贝，这就意味着，一个线程修改了某些共享变量后，其他线程可能不会直接发现。解决这个问题有两种方式：

禁止变量直接访问，使用synchronize关键字对getter/setter 方法进行保护
变量使用volatile生命变量

第二种方式更加的优雅，volatile可以理解为对单个变量的读写进行同步(JSR-133)，volatile关键字包括：

可见性：确保没次变量的读都去主内存

原子性：确保没次变量的写都直接更改住内存

有序性： Happens-Before原则，对volatile写操作必须发生在后续读操作后。

volatile关键字可以用在各种变量上，甚至是数组和对象，但是后两者，volatile定义的作用域是在引用(指针)上。

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