面試官：Java中如何保證線程安全性
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來(lái)源：blog.csdn.net/weixin_40459875/article/details/80290875
一、線程安全在三個(gè)方面體現(xiàn)
1.原子性：提供互斥訪問(wèn)，同一時(shí)刻只能有一個(gè)線程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，（atomic,synchronized）；
2.可見(jiàn)性：一個(gè)線程對(duì)主內(nèi)存的修改可以及時(shí)地被其他線程看到，（synchronized,volatile）；
3.有序性：一個(gè)線程觀察其他線程中的指令執(zhí)行順序，由于指令重排序，該觀察結(jié)果一般雜亂無(wú)序，（happens-before原則）。
接下來(lái)，依次分析。
二、原子性---atomicJDK里面提供了很多atomic類(lèi)，AtomicInteger,AtomicLong,AtomicBoolean等等。
它們是通過(guò)CAS完成原子性。
我們一次來(lái)看AtomicInteger，AtomicStampedReference，AtomicLongArray，AtomicBoolean。
（1）AtomicInteger先來(lái)看一個(gè)AtomicInteger例子：
public class AtomicIntegerExample1 {
// 請(qǐng)求總數(shù)
public static int clientTotal = 5000;
// 同時(shí)并發(fā)執(zhí)行的線程數(shù)
public static int threadTotal = 200;
public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
public static void main(String[] args) throws Exception {
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();//獲取線程池
final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);//定義信號(hào)量
final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
for (int i = 0; i < clientTotal ; i++) {
executorService.execute(() -> {
try {
semaphore.acquire();
add();
semaphore.release();
} catch (Exception e) {
log.error("exception", e);
}
countDownLatch.countDown();
});
}
countDownLatch.await();
executorService.shutdown();
log.info("count:{}", count.get());
}
private static void add() {
count.incrementAndGet();
}
}
我們可以執(zhí)行看到最后結(jié)果是5000是線程安全的。
那么看AtomicInteger的incrementAndGet()方法：
再看getAndAddInt()方法：
這里面調(diào)用了compareAndSwapInt()方法：
它是native修飾的，代表是java底層的方法，不是通過(guò)java實(shí)現(xiàn)的 。
再重新看getAndAddInt()，傳來(lái)第一個(gè)值是當(dāng)前的一個(gè)對(duì)象 ，比如是count.incrementAndGet()，那么在getAndAddInt()中，var1就是count，而var2第二個(gè)值是當(dāng)前的值，比如想執(zhí)行的是2+1=3操作，那么第二個(gè)參數(shù)是2，第三個(gè)參數(shù)是1 。
變量5（var5）是我們調(diào)用底層的方法而得到的底層當(dāng)前的值，如果沒(méi)有別的線程過(guò)來(lái)處理我們count變量的時(shí)候，那么它正常返回值是2。
因此傳到compareAndSwapInt方法里的參數(shù)是（count對(duì)象，當(dāng)前值2，當(dāng)前從底層傳過(guò)來(lái)的2，從底層取出來(lái)的值加上改變量var4）。
compareAndSwapInt()希望達(dá)到的目標(biāo)是對(duì)于var1對(duì)象，如果當(dāng)前的值var2和底層的值var5相等，那么把它更新成后面的值（var5+var4）.
compareAndSwapInt核心就是CAS核心。
關(guān)于count值為什么和底層值不一樣：count里面的值相當(dāng)于存在于工作內(nèi)存的值，底層就是主內(nèi)存。
（2）AtomicStampedReference接下來(lái)我們看一下AtomicStampedReference。
關(guān)于CAS有一個(gè)ABA問(wèn)題：開(kāi)始是A，后來(lái)改為B，現(xiàn)在又改為A。解決辦法就是：每次變量改變的時(shí)候，把變量的版本號(hào)加1。
這就用到了AtomicStampedReference。
我們來(lái)看AtomicStampedReference里的compareAndSet()實(shí)現(xiàn)：
而在AtomicInteger里compareAndSet()實(shí)現(xiàn)：
可以看到AtomicStampedReference里的compareAndSet()中多了 一個(gè)stamp比較（也就是版本），這個(gè)值是由每次更新時(shí)來(lái)維護(hù)的。
（3）AtomicLongArray這種維護(hù)數(shù)組的atomic類(lèi)，我們可以選擇性地更新其中某一個(gè)索引對(duì)應(yīng)的值，也是進(jìn)行原子性操作。這種對(duì)數(shù)組的操作的各種方法，會(huì)多處一個(gè)索引。
比如，我們看一下compareAndSet()：
看一段代碼：
public class AtomicBooleanExample {
private static AtomicBoolean isHappened = new AtomicBoolean(false);
// 請(qǐng)求總數(shù)
public static int clientTotal = 5000;
// 同時(shí)并發(fā)執(zhí)行的線程數(shù)
public static int threadTotal = 200;
public static void main(String[] args) throws Exception {
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
for (int i = 0; i < clientTotal ; i++) {
executorService.execute(() -> {
try {
semaphore.acquire();
test();
semaphore.release();
} catch (Exception e) {
log.error("exception", e);
}
countDownLatch.countDown();
});
}
countDownLatch.await();
executorService.shutdown();
log.info("isHappened:{}", isHappened.get());
}
private static void test() {
if (isHappened.compareAndSet(false, true)) {
log.info("execute");
}
}
}
執(zhí)行之后發(fā)現(xiàn)，log.info("execute");只執(zhí)行了一次，且isHappend值為true。
原因就是當(dāng)它第一次compareAndSet()之后，isHappend變?yōu)閠rue，沒(méi)有別的線程干擾。
通過(guò)使用AtomicBoolean，我們可以使某段代碼只執(zhí)行一次。
三、原子性---synchronizedsynchronized是一種同步鎖，通過(guò)鎖實(shí)現(xiàn)原子操作。
JDK提供鎖分兩種：一種是synchronized，依賴JVM實(shí)現(xiàn)鎖，因此在這個(gè)關(guān)鍵字作用對(duì)象的作用范圍內(nèi)是同一時(shí)刻只能有一個(gè)線程進(jìn)行操作；另一種是LOCK，是JDK提供的代碼層面的鎖，依賴CPU指令，代表性的是ReentrantLock。
synchronized修飾的對(duì)象有四種：
- 修飾代碼塊，作用于調(diào)用的對(duì)象；
- 修飾方法，作用于調(diào)用的對(duì)象；
- 修飾靜態(tài)方法，作用于所有對(duì)象；
- 修飾類(lèi)，作用于所有對(duì)象。
修飾代碼塊和方法：
@Slf4j
public class SynchronizedExample1 {
// 修飾一個(gè)代碼塊
public void test1(int j) {
synchronized (this) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
log.info("test1 {} - {}", j, i);
}
}
}
// 修飾一個(gè)方法
public synchronized void test2(int j) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
log.info("test2 {} - {}", j, i);
}
}
public static void main(String[] args) {
SynchronizedExample1 example1 = new SynchronizedExample1();
SynchronizedExample1 example2 = new SynchronizedExample1();
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
//一
executorService.execute(() -> {
example1.test1(1);
});
executorService.execute(() -> {
example1.test1(2);
});
//二
executorService.execute(() -> {
example2.test2(1);
});
executorService.execute(() -> {
example2.test2(2);
});
//三
executorService.execute(() -> {
example1.test1(1);
});
executorService.execute(() -> {
example2.test1(2);
});
}
}
執(zhí)行后可以看到對(duì)于情況一，test1內(nèi)部方法塊作用于example1，先執(zhí)行完一次0-9輸出，再執(zhí)行下一次0-9輸出；情況二，同情況一類(lèi)似，作用于example2；情況三，可以看到交叉執(zhí)行，test1分別獨(dú)立作用于example1和example2，互不影響。
修飾靜態(tài)方法和類(lèi)：
@Slf4j
public class SynchronizedExample2 {
// 修飾一個(gè)類(lèi)
public static void test1(int j) {
synchronized (SynchronizedExample2.class) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
log.info("test1 {} - {}", j, i);
}
}
}
// 修飾一個(gè)靜態(tài)方法
public static synchronized void test2(int j) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
log.info("test2 {} - {}", j, i);
}
}
public static void main(String[] args) {
SynchronizedExample2 example1 = new SynchronizedExample2();
SynchronizedExample2 example2 = new SynchronizedExample2();
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
executorService.execute(() -> {
example1.test1(1);
});
executorService.execute(() -> {
example2.test1(2);
});
}
}
test1和test2會(huì)鎖定調(diào)用它們的對(duì)象所屬的類(lèi)，同一個(gè)時(shí)間只有一個(gè)對(duì)象在執(zhí)行。
四、可見(jiàn)性---volatile對(duì)于可見(jiàn)性，JVM提供了synchronized和volatile。這里我們看volatile。
（1）volatile的可見(jiàn)性是通過(guò)內(nèi)存屏障和禁止重排序?qū)崿F(xiàn)的volatile會(huì)在寫(xiě)操作時(shí)，會(huì)在寫(xiě)操作后加一條store屏障指令，將本地內(nèi)存中的共享變量值刷新到主內(nèi)存：
volatile在進(jìn)行讀操作時(shí)，會(huì)在讀操作前加一條load指令，從內(nèi)存中讀取共享變量：
（2）但是volatile不是原子性的，進(jìn)行++操作不是安全的@Slf4j
public class VolatileExample {
// 請(qǐng)求總數(shù)
public static int clientTotal = 5000;
// 同時(shí)并發(fā)執(zhí)行的線程數(shù)
public static int threadTotal = 200;
public static volatile int count = 0;
public static void main(String[] args) throws Exception {
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
for (int i = 0; i < clientTotal ; i++) {
executorService.execute(() -> {
try {
semaphore.acquire();
add();
semaphore.release();
} catch (Exception e) {
log.erro("exception", e);
}
countDownLatch.countDown();
});
}
countDownLatch.await();
executorService.shutdown();
log.info("count:{}", count);
}
private static void add() {
count++;
}
}
執(zhí)行后發(fā)現(xiàn)線程不安全，原因是 執(zhí)行conut++ 時(shí)分成了三步，第一步是取出當(dāng)前內(nèi)存 count 值，這時(shí) count 值時(shí)最新的，接下來(lái)執(zhí)行了兩步操作，分別是 +1 和重新寫(xiě)回主存。假設(shè)有兩個(gè)線程同時(shí)在執(zhí)行 count++ ，兩個(gè)內(nèi)存都執(zhí)行了第一步，比如當(dāng)前 count 值為 5 ，它們都讀到了，然后兩個(gè)線程分別執(zhí)行了 +1 ，并寫(xiě)回主存，這樣就丟掉了一次加一的操作。
（3）volatile適用的場(chǎng)景既然volatile不適用于計(jì)數(shù)，那么volatile適用于哪些場(chǎng)景呢：
- 對(duì)變量的寫(xiě)操作不依賴于當(dāng)前值
- 該變量沒(méi)有包含在具有其他變量不變的式子中
因此，volatile適用于狀態(tài)標(biāo)記量：
線程1負(fù)責(zé)初始化，線程2不斷查詢inited值，當(dāng)線程1初始化完成后，線程2就可以檢測(cè)到inited為true了。
五、有序性有序性是指，在JMM中，允許編譯器和處理器對(duì)指令進(jìn)行重排序，但是重排序過(guò)程不會(huì)影響到單線程程序的執(zhí)行，卻會(huì)影響到多線程并發(fā)執(zhí)行的正確性。
可以通過(guò)volatile、synchronized、lock保證有序性。
另外，JMM具有先天的有序性，即不需要通過(guò)任何手段就可以得到保證的有序性。這稱為happens-before原則。
如果兩個(gè)操作的執(zhí)行次序無(wú)法從happens-before原則推導(dǎo)出來(lái)，那么它們就不能保證它們的有序性。虛擬機(jī)可以隨意地對(duì)它們進(jìn)行重排序。
happens-before原則：
- 程序次序規(guī)則：在一個(gè)單獨(dú)的線程中，按照程序代碼書(shū)寫(xiě)的順序執(zhí)行。
- 鎖定規(guī)則：一個(gè)unlock操作happen—before后面對(duì)同一個(gè)鎖的lock操作。
- volatile變量規(guī)則：對(duì)一個(gè)volatile變量的寫(xiě)操作happen—before后面對(duì)該變量的讀操作。
- 線程啟動(dòng)規(guī)則：Thread對(duì)象的start()方法happen—before此線程的每一個(gè)動(dòng)作。
- 線程終止規(guī)則：線程的所有操作都happen—before對(duì)此線程的終止檢測(cè)，可以通過(guò)Thread.join()方法結(jié)束、Thread.isAlive()的返回值等手段檢測(cè)到線程已經(jīng)終止執(zhí)行。
- 線程中斷規(guī)則：對(duì)線程interrupt()方法的調(diào)用happen—before發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測(cè)到中斷時(shí)事件的發(fā)生。
- 對(duì)象終結(jié)規(guī)則：一個(gè)對(duì)象的初始化完成（構(gòu)造函數(shù)執(zhí)行結(jié)束）happen—before它的finalize()方法的開(kāi)始。
- 傳遞性：如果操作A happen—before操作B，操作B happen—before操作C，那么可以得出A happen—before操作C。
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