【java】-- 线程安全

 1、线程安全问题介绍与案例分析

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。

class ThreadTrain1 implements Runnable {
    private int count = 100;

    @Override
    public void run() {
        while (count > 0) {
            try {
　　　　　　　　　 Thread.sleep(50);
            } catch (Exception e) {
                // TODO: handle exception
            }
            sale();
        }
    }

    public void sale() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售第" + (100 - count + 1) + "票");
        count--;
    }
}

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadTrain1 threadTrain1 = new ThreadTrain1();
        Thread t1 = new Thread(threadTrain1, "①号窗口");
        Thread t2 = new Thread(threadTrain1, "②号窗口");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

运行结果:

 

一号窗口和二号窗口同时出售火车第一张和第七张,部分火车票会重复出售。

结论：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。

为什么会出现这种问题呢？

以分析两个窗口同时售卖出第一张票为例：两个线程一前一后（多CPU同时也可能）进入sale方法，且此时两者都未执行count--；两线程获取count的值打印，这时的count都为100；然后两者相继对count进行减操作；

那将count--；放入到打印语句中可以避免这问题吗？当然也不行，因为即使是打印语句本身也不是原子操作，底层中也是分为获取数据放入到寄存器、寄存器数据减一、赋值这三步。线程还是可能在赋值之前进入就绪状态，使得另一个线程获取到相同的值。

2、线程安全解决办法--线程同步

问:如何解决多线程之间线程安全问题?

答:使用多线程之间同步synchronized（自动）或使用锁(lock)（手动）。

问:为什么使用线程同步或使用锁能解决线程安全问题呢？

答: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，让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。

问:什么是多线程之间同步？

答:当多个线程共享同一个资源,不会受到其他线程的干扰，保证数据的原子性。

2.1、同步代码块

什么是同步代码块？

答:就是将可能会发生线程安全问题的代码，给包括起来。

synchronized(同一个数据){

 可能会发生线程冲突问题

}

就是同步代码块 

synchronized(对象)//这个对象可以为任意对象 

{ 

    需要被同步的代码 

} 

对象如同锁，持有锁的线程可以在同步中执行 

没持有锁的线程即使获取CPU的执行权，也进不去 

同步的前提： 

1，必须要有两个或者两个以上的线程 

2，必须是多个线程使用同一个锁 

必须保证同步中只能有一个线程在运行 

好处：解决了多线程的安全问题 

弊端：多个线程需要判断锁，较为消耗资源、抢锁的资源。 

private static Object oj = new Object();       

publicvoid sale() {

              // 前提 多线程进行使用、多个线程只能拿到一把锁。

              // 保证只能让一个线程 在执行 缺点效率降低

               synchronized (oj) {

              if (count > 0) {

                     System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售第" + (100 - count + 1) + "票");

                     count--;
              }

            }

       }

2.2、同步函数

  2.2.1、什么是同步函数？

   答：在方法上修饰synchronized 称为同步函数

public synchronized void sale() {
            if (trainCount > 0) { 
　　　　　　　　try {
                    Thread.sleep(40);
                } catch (Exception e) {
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售 第" + (100 - trainCount + 1) + "张票.");
                trainCount--;
            }
    }

思考：同步函数用的是什么锁？

答：同步函数使用this锁。

证明方式: 一个线程使用同步代码块(this明锁),另一个线程使用同步函数。如果两个线程抢票不能实现同步，那么会出现数据错误。

class ThreadTrain2 implements Runnable {
    private int count = 100;
    public boolean flag = true;
    private static Object oj = new Object();

    @Override
    public void run() {
        if (flag) {

            while (count > 0) {

                synchronized (this) {
                    if (count > 0) {
                        try {
                            Thread.sleep(50);
                        } catch (Exception e) {
                            // TODO: handle exception
                        }
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售第" + (100 - count + 1) + "票");
                        count--;
                    }
                }

            }

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

    }

    public synchronized void sale() {
        // synchronized (oj) {
        if (count > 0) {
            try {
                Thread.sleep(50);
            } catch (Exception e) {
                // TODO: handle exception
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售第" + (100 - count + 1) + "票");
            count--;
        }
        // }
    }
}

public class ThreadDemo2 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ThreadTrain2 threadTrain1 = new ThreadTrain2();
        Thread t1 = new Thread(threadTrain1, "①号窗口");
        Thread t2 = new Thread(threadTrain1, "②号窗口");
        t1.start();
        Thread.sleep(40);
        threadTrain1.flag = false;
        t2.start();
    }
}

2.2.2、静态同步函数 

什么是静态同步函数？

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

为什么静态的同步函数不能使用this锁？

this是对本类的直接动态引用，this代表的是调用这个函数的对象的引用,而静态方法是属于类的,不属于对象。

被static修改的方法存放在方法区，class文件被加载时就会被初始化，而这时对象还不一定存在，所以不能使用this。

总结：

　　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

2.2.3、synchronized 的好与坏

好处：保证了多线程并发访问时的同步操作，避免线程安全性问题

缺点：使用synchronized的方法/代码块的性能比不用要高。

2.3、同步锁（lock）

在 jdk1.5 之后，并发包中新增了 Lock 接口(以及相关实现类)用来实现锁功能，Lock 接口提供了与 synchronized 关键字类似的同步功能，但需要在使用时手动获取锁和释放锁。

2.3.1、写法

Lock lock  = new ReentrantLock();
lock.lock();
try{
//可能会出现线程安全的操作
}finally{
//一定在finally中释放锁
//也不能把获取锁在try中进行，因为有可能在获取锁的时候抛出异常
  lock.ublock();
}

2.3.2、Lock接口与synchronized关键字的区别

3、多线程死锁

3.1、什么是多线程死锁？

同步中嵌套同步,导致锁无法释放；

class ThreadTrain6 implements Runnable {
    // 这是货票总票数,多个线程会同时共享资源
    private int trainCount = 100;
    public boolean flag = true;
    private Object mutex = new Object();

    @Override
    public void run() {
        if (flag) {
            while (true) {
                synchronized (mutex) {
                    // 锁(同步代码块)在什么时候释放？ 代码执行完， 自动释放锁.
                    // 如果flag为true 先拿到 obj锁,在拿到this 锁、 才能执行。
                    // 如果flag为false先拿到this,在拿到obj锁，才能执行。
                    // 死锁解决办法:不要在同步中嵌套同步。
                    sale();
                }
            }
        } else {
            while (true) {
                sale();
            }
        }
    }

    /**
     * 
     * @methodDesc: 功能描述:(出售火车票)
     * @author: lhb
     * @param:
     * @createTime:2017年8月9日 下午9:49:11
     * @returnType: void
     */
    public synchronized void sale() {
        synchronized (mutex) {
            if (trainCount > 0) {
                try {
                    Thread.sleep(40);
                } catch (Exception e) {

                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售 第" + (100 - trainCount + 1) + "张票.");
                trainCount--;
            }
        }
    }
}

public class DeadlockThread {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        ThreadTrain6 threadTrain = new ThreadTrain6(); // 定义 一个实例
        Thread thread1 = new Thread(threadTrain, "一号窗口");
        Thread thread2 = new Thread(threadTrain, "二号窗口");
        thread1.start();
        Thread.sleep(40);
        threadTrain.flag = false;
        thread2.start();
    }

}

3.2、如何避免多线程死锁？

有些情况下死锁是可以避免的，三种用于避免死锁的技术：

1、加锁顺序

　线程按照一定的顺序加锁。

举例：有锁A、B、C，线程1、2、3。

设定线程1拥有锁A，线程2和线程3只有在获取了锁A之后才能尝试获取锁C。

因为线程1已经拥有了锁A，所以线程2和3需要一直等到锁A被释放。然后在它们尝试对B或C加锁之前，必须成功地对A加了锁。

缺点：

　　按照顺序加锁是一种有效的死锁预防机制。但是，这种方式需要你事先知道所有可能会用到的锁(译者注：并对这些锁做适当的排序)，但总有些时候是无法预知的。

 2、加锁时限

　　是在尝试获取锁的时候加一个超时时间，这也就意味着在尝试获取锁的过程中若超过了这个时限该线程则放弃对该锁请求。

　　若一个线程没有在给定的时限内成功获得所有需要的锁，则会进行回退并释放所有已经获得的锁，然后等待一段随机的时间再重试。

　　这段随机的等待时间让其它线程有机会尝试获取相同的这些锁，并且让该应用在没有获得锁的时候可以继续运行（加锁超时后可以先继续运行干点其它事情，再回头来重复之前加锁的逻辑）。

存在的问题：

　　超时和重试机制是为了避免在同一时间出现的竞争，但是当线程很多时，其中两个或多个线程的超时时间一样或者接近的可能性就会很大，因此就算出现竞争而导致超时后，由于超时时间一样，它们又会同时开始重试，导致新一轮的竞争，带来了新的问题。

　　此外，在Java中不能对synchronized同步块设置超时时间。你需要创建一个自定义锁，或使用Java5中java.util.concurrent包下的工具。

 3、死锁检测

　　死锁检测是一个更好的死锁预防机制，它主要是针对那些不可能实现按序加锁并且锁超时也不可行的场景。

　　每当一个线程获得了锁，会在线程和锁相关的数据结构中（map、graph等等）将其记下。除此之外，每当有线程请求锁，也需要记录在这个数据结构中。

　　当一个线程请求锁失败时，这个线程可以遍历锁的关系图看看是否有死锁发生。

　　那么当检测出死锁时，这些线程该做些什么呢？

　　一个可行的做法是释放所有锁，回退，并且等待一段随机的时间后重试。此方法和加锁超时类似，存在的问题也一样，不一样的是只有死锁已经发生了才回退，而不会是因为加锁的请求超时了。

　　一个更好的方案是给这些线程设置优先级，让一个（或几个）线程回退，剩下的线程就像没发生死锁一样继续保持着它们需要的锁。

　　如果赋予这些线程的优先级是固定不变的，同一批线程总是会拥有更高的优先级。为避免这个问题，可以在死锁发生的时候设置随机的优先级。

此处原文请看：https://www.cnblogs.com/sthu/p/9660914.html

4、多线程三大特性

原子性、可见性、有序性

1、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、线程安全的一部分。

2、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。

3、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。

5、Java内存模型

5.1、什么是java内存模型（JMM）

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。

根据JVM运行时的内存模式，在一个方法中使用某个变量，JVM要现在栈中找到该变量的引用，然后通过引用找到该对象在堆中保存到实例数据，如下图所示：

但是这个过程为什么会出现多线程间的内存可见性的问题呢？

这个过程从单个线程的角度来说，是没有问题的，线程可以找到自己需要的变量，但是得到的变量不一定是最新的，这是由于主存和缓存内容不一致造成的。

内存模式（JMM）来控制Java线程见的通信，其 决定了一个线程对共享变量的写入在什么时候对另一个线程可见。

在Java中通过多线程机制使得多个任务同时执行处理，所有的线程共享JVM内存区域主存（main memory），而每个线程又单独的有自己的工作内存，当线程与内存区域进行交互时，数据从主存拷贝到工作内存，进而交由线程处理（操作码+操作数），数据写入时，先被写入到工作缓存中，JMM选择合适的时机将其同步到主存中，以此提高访问效率。

5.2、java内存模型和java内存区域虚拟机栈的关系

工作缓存其实是一个抽象的概念，Java的内存分区中并没有专门的一块区域叫线程的工作缓存，其实际上是缓存、对读写缓冲区、寄存器以及其他硬件和编译器优化的统称。

因此虚拟栈到Java堆中寻找实例数据和JMM并不矛盾，二者是JVM不同角度的阐述。

总结：什么是Java内存模型：java内存模型简称jmm，定义了一个线程对另一个线程可见。共享变量存放在主内存中，每个线程都有自己的本地内存，当多个线程同时访问一个数据的时候，可能本地内存没有及时刷新到主内存，所以就会发生线程安全问题。

6、Volatile

6.1、Volatile的作用

Volatile 关键字的作用是变量在多个线程之间可见。

class ThreadVolatileDemo extends Thread {
    public   boolean flag = true;

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("子线程开始执行...");
        while (flag) {
        }
        System.out.println("子线程执行结束...");
    }
    public void setFlag(boolean flag){
        this.flag=flag;
    }

}

public class ThreadVolatile {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
              ThreadVolatileDemo threadVolatileDemo = new ThreadVolatileDemo();
              threadVolatileDemo.start();
              threadVolatileDemo.setFlag(false);
              Thread.sleep(3000);
              //主线程修改共享全局变量为false,但此时threadVolatileDemo本地变量还是为true，所以程序会一直执行下去
              threadVolatileDemo.setFlag(false);
              System.out.println("flag已结修改false!");
              Thread.sleep(1000);
              System.out.println(threadVolatileDemo.flag);
    }
}

 运行结果:：程序会一直执行下去。

解决办法使用Volatile关键字将解决线程之间可见性, 强制线程每次读取该值的时候都去“主内存”中取值。

6.2、Volatile非原子性

注意: 仅使用Volatile并不能解决线程安全问题，因为它还是非原子性的。

public class VolatileNoAtomic extends Thread {

    private static volatile int count;

    // private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    private static void addCount() {

        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            count++;
            // count.incrementAndGet();
        }

        System.out.println(count);

    }
    public void run() {
        addCount();
    }

    public static void main(String[] args) {

        VolatileNoAtomic[] arr = new VolatileNoAtomic[100];

        for (int i = 0; i < 10; i++) {

            arr[i] = new VolatileNoAtomic();

        }
        for (int i = 0; i < 10; i++) {

            arr[i].start();

        }

    }
}

结果发现数据不同步，因为Volatile不用具备原子性。

6.3、使用AtomicInteger原子类

AtomicInteger是一个提供原子操作的Integer类，通过线程安全的方式操作加减。

public class VolatileNoAtomic extends Thread {

    static int count = 0;

    private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);

    @Override

    public void run() {

        for (int i = 0; i < 1000; i++) {

            //等同于i++

            atomicInteger.incrementAndGet();

        }

        System.out.println(count);

    }

    public static void main(String[] args) {

        // 初始化10个线程

        VolatileNoAtomic[] volatileNoAtomic = new VolatileNoAtomic[10];

        for (int i = 0; i < 10; i++) {

            // 创建

            volatileNoAtomic[i] = new VolatileNoAtomic();

        }

        for (int i = 0; i < volatileNoAtomic.length; i++) {

            volatileNoAtomic[i].start();

        }

    }

}

java.util.concurrent.atomic包中提供了许多其他的原子类，用于计数，可查看API学习。

6.3、volatile与synchronized区别

仅靠volatile不能保证线程的安全性。（原子性）

1、volatile轻量级，只能修饰变量。synchronized重量级，还可修饰方法

2、volatile只能保证数据的可见性，不能用来同步，因为多个线程并发访问volatile修饰的变量不会阻塞。

3、synchronized不仅保证可见性，而且还保证原子性，因为，只有获得了锁的线程才能进入临界区，从而保证临界区中的所有语句都全部执行。多个线程争抢synchronized锁对象时，会出现阻塞。

线程安全性

线程安全性包括两个方面，①可见性。②原子性。

从上面自增的例子中可以看出：仅仅使用volatile并不能保证线程安全性。而synchronized则可实现线程的安全性。