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Java 并发基础线程安全性


 

 
当线程安全:多个线程访问某个类时,不管运行时环境采用何种调度方式或者这些线程将如何交替执行,并且在主调代码中不需要任何额外的同步或协调,这个类都能表现出正确的行为,那么久称这个类是线程安全的。
 
在线程安全类中封装了必要的同步机制,因此客户端无需采取进一步的同步措施。
 
原子性
 
要么不执行,要么执行到底。原子性就是当某一个线程修改i的值的时候,从取出i到将新的i的值写给i之间不能有其他线程对i进行任何操作。也就是说保证某个线程对i的操作是原子性的,这样就可以避免数据脏读。 通过锁机制或者CAS(Compare And Set 需要硬件CPU的支持)操作可以保证操作的原子性。
 
当多个线程访问某个状态变量,并且其中有一个线程执行写入操作时,必须采用同步机制来协调这些线程对变量的访问。无状态对象一定是线程安全的。
 
  如果我们在无状态的对象中增加一个状态时,会出现什么情况呢?假设我们按照以下方式在servlet中增加一个"命中计数器"来管理请求数量:在servlet中增加一个long类型的域,每处理一个请求就在这个值上加1。
 
复制代码
public class UnsafeCountingFactorizer implements Servlet {
     private long count = 0;
 
     public long getCount() {
            return count ;
     }
 
     @Override
     public void service(ServletRequest arg0, ServletResponse arg1)
                 throws ServletException, IOException {
            // do something
           count++;
     }
}
复制代码
不幸的是,以上代码不是线程安全的,因为count++并非是原子操作,实际上,它包含了三个独立的操作:读取count的值,将值加1,然后将计算结果写入count。如果线程A读到count为10,马上线程B读到count也为10,线程A加1写入后为11,线程B由于已经读过count值为10,执行加1写入后依然为11,这样就丢失了一次计数。
 
        在 count++例子中线程不安全是因为 count++并非原子操作,我们可以使用原子类,确保确保操作是原子,这样这个类就是线程安全的了。
 
复制代码
public class CountingFactorizer implements Servlet {
     private final AtomicLong count = new AtomicLong(0);
 
    public long getCount() {
          return count .get() ;
   }
 
    @Override
    public void service(ServletRequest arg0, ServletResponse arg1)
               throws ServletException, IOException {
          // do something
          count.incrementAndGet();
   }
}
复制代码
       AtomicLong是java.util.concurrent.atomic包中的原子变量类,它能够实现原子的自增操作,这样就是线程安全的了。   同样,上述情况还会出现在 单例模式的懒加载过程中,当多个线程同时访问 getInstance()函数时。这篇文章中有讲解:实现优雅的单例模式
 
加锁机制
 
      线程在执行被synchronized修饰的代码块时,首先检查是否有其他线程持有该锁,如果有则阻塞等待,如果没有则持有该锁,并在执行完之后释放该锁。
 
      除了使用原子变量的方式外,我们也可以通过加锁的方式实现线程安全性。还是UnsafeCountingFactorizer,我们只要在它的service方法上增加synchronized关键字,那么它就是线程安全的了。当然在整个方法中加锁在这里是效率很低的,因为我们只需要保证count++操作的原子性,所以这里只对count++进行了加锁,代码如下:
 
复制代码
public class UnsafeCountingFactorizer implements Servlet {
     private long count = 0;
 
     public long getCount() {
            return count ;
     }
 
     @Override
     public void service(ServletRequest arg0, ServletResponse arg1)
                 throws ServletException, IOException {
            // do something
           synchronized(this){
               count++;
          }
     }
}
复制代码
Synchronized代码块使得一段程序的执行具有 原子性,即每个时刻只能有一个线程持有这个代码块,多个线程执行在执行时会互不干扰。
java 内存模型及 可见性
 
     的内存模型没有上面这么简单,在Java Memory Model中,Memory分为两类,main memory和working memory,main memory为所有线程共享,working memory中存放的是线程所需要的变量的拷贝(线程要对main memory中的内容进行操作的话,首先需要拷贝到自己的working memory,一般为了速度,working memory一般是在cpu的cache中的)。被volatile修饰的变量在被操作的时候不会产生working memory的拷贝,而是直接操作main memory,当然volatile虽然解决了变量的可见性问题,但没有解决变量操作的原子性的问题,这个还需要synchronized或者CAS相关操作配合进行。
 
 
 
每个线程内部都保有共享变量的副本,当一个线程更新了这个共享变量,另一个线程可能看的到,可能看不到,这就是可见性问题。
 
下面这段代码中 main 线程中 改变了 ready的值,当开启多个子线程时,子线程的值并不是马上就刷新为最新的ready的值(这里的中间刷新的时间间隔到底是多长,或者子线程的刷新机制,自己也不太清楚。当开启一个线程去执行时,ready值改变时就会立刻刷新,循环立刻就结束,但是当开启多个线程时,就会有一定的延迟)。
 
复制代码
public class SelfTest {
    private  static boolean ready;
    private static int number;
    private static long time;
 
    public static class ReadThread extends Thread {
        public void run() {
            while(!ready ){
                System. out.println("*******  "+Thread.currentThread()+""+number);
                Thread. yield();
            }
            System. out.println(number+"   currentThread: "+Thread.currentThread());
        }
    }
    public static void main(String [] args) {
        time = System.currentTimeMillis();
        new ReadThread().start();
        new ReadThread().start();
        new ReadThread().start();
        new ReadThread().start();
        try {
            Thread.sleep(10);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        number = 42;
        ready = true ;
        System.out.println("赋值时间:ready = true     ");
    }
}
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上面这段代码的执行结果:可以看出赋值后,循环还是执行了几次。
 
image
 
此时如果把 ready的属性加上 volatile 结果便是如下的效果:
 
image
 
由此可见Volatile可以解决内存可见性的问题。
 
上面讲的加锁机制同样可以解决内存可见性的问题,加锁的含义不仅仅局限于互斥行为,还包括内存可见性。为了确保所有线程都能看到共享变量的最新值,所有执行读操作或者写操作的线程都必须在同一个锁上同步。
 
注:由于System.out.println的执行仍然需要时间,所以这面打印的顺序还是可能出现错乱。