本篇博文主要包含:
- 线程安全的基本概念
- synchronized关键字如何保证线程安全的用法
- 死锁现象
- 线程三大特性:原子性、可见性和有序性
- Java内存模型(JMM)
- volatile 关键字保证可见性
- java.util.concurrent.atomic并发包
- 线程的局部变量ThreadLocal的用法
一. 线程安全的基本概念
当我们编写程序的时候可能会绕不过去线程安全问题,遇到了又如何解决呢?首先先来看看下面几个问题,在问题的回答中你可能会找到答案。
- 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。 - 如何解决多线程之间线程安全问题?
使用多线程之间同步synchronized(自动挡)或使用锁(lock)(手动挡)。 - 为什么使用线程同步或使用锁能解决线程安全问题呢?
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。 - 什么是多线程之间同步?
当多个线程共享同一个资源,不会受到其他线程的干扰。 - 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 - 使用同步锁的弊端:多个线程需要判断锁,较为消耗资源、抢锁的资源。
下面是一段演示售票的代码:
public class SellingTicket {
public static void main(String[] args) {
TicketThread ticketThread = new TicketThread();
Thread t1 = new Thread(ticketThread,"售票窗口①");
Thread t2 = new Thread(ticketThread,"售票窗口②");
t1.start();
t2.start();
}
}
class TicketThread implements Runnable{
private int ticketNum = 100;
@Override
public void run() {
while(ticketNum > 0) {
sale();
}
}
public void sale() {
if(ticketNum > 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"出售第:"+(100-ticketNum+1)+"张票");
ticketNum--;
}
}
}
运行结果:
二. 使用synchronized解决线程安全
两个窗口都出售了第一张票,出现了线程安全问题,如何解决呢?
- 方法一:使用synchronized代码块,将可能会发生线程安全问题的代码(真正产生共享同一全局变量的时候)给包括起来。
演示代码:
class TicketThread implements Runnable{
private int ticketNum = 100;
//Object ob ;//一定要让ob初始化,不然为null值synchronized(ob)锁不起作用
//多个线程相同步必须使用同一把锁,此处为:ob
private Object ob = new Object();
@Override
public void run() {
while(ticketNum > 0) {
sale();
}
}
public void sale() {
synchronized(ob) { //如果有多个线程同时要执行这个代码块,只有抢到锁的那一个线程才能执行,其他没抢到锁的线程一直排队,等待其他线程释放锁。
if(ticketNum > 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"出售第:"+(100-ticketNum+1)+"张票");
ticketNum--;
}
}
}
}
- 方法二: 使用同步函数,即在方法上修饰synchronized关键字,同步函数使用的是this锁。
代码演示:
public synchronized void sale() { //同步函数使用的是this锁
if(ticketNum > 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"出售第:"+(100-ticketNum+1)+"张票");
ticketNum--;
}
}
- 证明同步函数使用的是this锁
一个线程使用同步函数,一个线程使用同步代码块(非this锁是不能实现同步的)。
代码演示
public class SellingTicket {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
TicketThread ticketThread = new TicketThread();
Thread t1 = new Thread(ticketThread,"售票窗口①");
Thread t2 = new Thread(ticketThread,"售票窗口②");
t1.start();
ticketThread.flag = false;
Thread.sleep(50);
t2.start();
}
}
class TicketThread implements Runnable{
private int ticketNum = 100;
//Object ob ;//一定要让ob初始化,不然为null值synchronized(ob)锁不起作用
//多个线程相同步必须使用同一把锁,此处为:ob
private Object ob = new Object();
public boolean flag = true;
@Override
public void run() {
while(ticketNum > 0) {
if(flag) {
synchronized(this) { //如果有多个线程同时要执行这个代码块,只有抢到锁的那一个线程才能执行,其他没抢到锁的线程一直排队,等待其他线程释放锁。
if(ticketNum > 0) {
try {
Thread.sleep(50);
} catch (Exception e) {
// TODO: handle exception
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"出售第:"+(100-ticketNum+1)+"张票");
ticketNum--;
}
}
}else {
sale();
}
}
}
public synchronized void sale() { //同步函数使用的是this锁
if(ticketNum > 0) {
try {
Thread.sleep(50);
} catch (Exception e) {
// TODO: handle exception
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"出售第:"+(100-ticketNum+1)+"张票");
ticketNum--;
}
}
}
- 静态同步函数使用的锁是当前类的字节码文件
代码演示:
class TicketThread implements Runnable{
private static int ticketNum = 100;
private Object ob = new Object();
public boolean flag = true;
@Override
public void run() {
while(ticketNum > 0) {
if(flag) {
synchronized(TicketThread.class) {
if(ticketNum > 0) {
try {
Thread.sleep(50);
} catch (Exception e) {
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"出售第:"+(100-ticketNum+1)+"张票");
ticketNum--;
}
}
}else {
sale();
}
}
}
public static synchronized void sale() { //使用的锁是当前类的字节码文件
if(ticketNum > 0) {
try {
Thread.sleep(50);
} catch (Exception e) {
// TODO: handle exception
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"出售第:"+(100-ticketNum+1)+"张票");
ticketNum--;
}
}
三. 死锁
- 造成多线程死锁的原因是:同步中嵌套同步,导致锁无法释放。
- 死锁解决办法:避免在同步中嵌套同步。
代码演示:
class ThreadTrain 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();
}
}
}
public synchronized void sale() { //同步函数使用this锁
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 Deadlock {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ThreadTrain threadTrain = new ThreadTrain(); // 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();
}
}
运行结果:
四. 线程三大特性
- 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。原子性其实就是保证数据一致、线程安全一部分。 - 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。 - 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。
五. 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。
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:
- 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。
- 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。
下面通过示意图来说明这两个步骤: 下面通过示意图来说明这两个步骤:
如上图所示,本地内存A和B有主内存中共享变量x的副本。假设初始时,这三个内存中的x值都为0。线程A在执行时,把更新后的x值(假设值为1)临时存放在自己的本地内存A中。当线程A和线程B需要通信时,线程A首先会把自己本地内存中修改后的x值刷新到主内存中,此时主内存中的x值变为了1。随后,线程B到主内存中去读取线程A更新后的x值,此时线程B的本地内存的x值也变为了1。
从整体来看,这两个步骤实质上是线程A在向线程B发送消息,而且这个通信过程必须要经过主内存。JMM通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互,来为java程序员提供内存可见性保证。
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。
六. 如何保证可见性呢?
- 使用volatile 关键字的作用是变量在多个线程之间可见,强制线程每次读取该值的时候都去“主内存”中取值。
代码演示:
class threadVolatileDemo extends Thread {
public 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);
}
}
运行结果:
已经将结果设置为fasle为什么?还一直在运行呢。
原因:线程之间是不可见的,读取的是副本,没有及时读取到主内存结果。
所有要给flag 加上 volatile 关键字:
public volatile boolean flag = true;
- 但是volatile不保证原子性,所以不能保证线程安全。
代码演示:
public class VolatileNoAtomic extends Thread {
private static volatile int count;
private static void addCount() {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
count++;
}
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();
}
//启动10个线程
for (int i = 0; i < 10; i++) {
arr[i].start();
}
}
}
- 从上图看最大数并不是1000,也就是没有保证数据同步,所以volatile并不能保证原子性。那么如何决绝这个问题呢?
从jdk1.5后新增了java.util.concurrent.atomic并发包,可以使用AtomicInteger原子类,其既能保证线程安全又能保证可见性。或者使用synchronized。
代码演示:
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class VolatileNoAtomic extends Thread {
private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
private static void addCount() {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
//count加1
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();
}
}
}
运行结果:
- volatile与synchronized区别
仅靠volatile不能保证线程的安全性。(原子性)
①volatile轻量级,只能修饰变量。synchronized重量级,还可修饰方法
②volatile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。
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。
七. ThreadLocal关键字
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。
代码演示:
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 ThreadLocaDemo extends Thread {
private Res res;
public ThreadLocaDemo(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();
ThreadLocaDemo threadLocaDemo1 = new ThreadLocaDemo(res);
ThreadLocaDemo threadLocaDemo2 = new ThreadLocaDemo(res);
ThreadLocaDemo threadLocaDemo3 = new ThreadLocaDemo(res);
threadLocaDemo1.start();
threadLocaDemo2.start();
threadLocaDemo3.start();
}
}
运行结果: