Java

线程之确保线程安全

2019-03-28  本文已影响8人  安仔夏天勤奋

cpu在同一时刻执行多个任务。而Java并发则由多线程实现的。在jvm的世界里，线程就像不相干的平行空间，串行在虚拟机中，那么java如何保证线程安全？说到线程安全，首先简单了解一下多线程：

多线程

充分利用CPU资源，为了提高CPU的使用率，采用多线程的方式去同时完成几件事情而不互相干扰。要了解多线程，首先要了解串行和并行的概念，这样才能更好地理解多线程。
串行

串行其实是相对于单条线程来执行多个任务来说的，就拿下载文件来举个例子：当下载多个文件时，在串行中它是按照一定的顺序去进行下载的，也就是说，必须等下载完A文件之后才能开始下载B文件，它们在时间上是不可能发生重叠的。

并行

下载多个文件，开启多条线程，多个文件同时进行下载，严格意义上的，在同一时刻发生的，并行在时间上是重叠的。（即同一时刻下载A、B文件。）

简单了解了多线程，接 下来说说确保线程安全。

什么是线程安全？

既然是线程安全问题，那么肯定是在多个线程访问的情况下产生的，没有按照我们预期的行为执行，那么线程就不安全了。也就是说我们想要确保在多线程访问的时候，我们的程序还能按照我们预期的行为去执行，那么就是线程安全。

首先看一段线程代码，看看是不是线程安全的，代码如下:

/**
 * @Author 安仔夏天勤奋
 * Create Date is  2019/3/28
 * Des
 */
public class TestThread {
    private static class XRunnable implements Runnable{
        private int count;
        @Override
        public void run() {
            for(int i=0;i<5;i++){
                getCount();
            }
        }
        private void getCount(){
            count++;
            //打印 计数值
            System.out.println(""+count);
        }
    }
    public static void main(String []arg){
        XRunnable runnable = new XRunnable();
        Thread a_thread = new Thread(runnable);
        Thread b_thread = new Thread(runnable);
        Thread c_thread = new Thread(runnable);
        a_thread.start();
        b_thread.start();
        c_thread.start();
    }
}

打印出的结果是

1
2
2
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Process finished with exit code 0

从代码上看出，启动三个线程，每个线程都是循环5次得出顺序是1到15的结果。从结果可以看到，出现了两个2，出现这种情况显然表明这个方法根本就不是线程安全的，出现这种问题的原因有很多。

如何确保线程安全？

既然存在线程安全的问题，那么肯定得想办法解决这个问题，怎么解决？说说常见的几种方式。先上图，后分析。


确保线程安全.png

不可变(final)

在java语言中，不可变的对象一定是线程安全的，无论是对象的方法实现还是方法的调用者，都不需要再采取任何的线程安全保障措施。final关键字修饰的类或数据不可修改，可靠性最高。如 String类，Integer类。

线程封闭

把对象封装到一个线程里，只有一个线程能看到这个对象，那么这个对象就算不是线程安全的，也不会出现任何线程安全方面的问题。线程封闭有三种：

同步

悲观锁

同步的最常用的方法是使用锁(Lock)，它是一种非强制机制，每个线程在访问数据或资源之前首先试图获取锁，并在访问结束之后释放锁；在锁已经被占用的时候试图获取锁时，线程会等待，直到锁重新可用。

synchronize和锁都可以保证可见性。

可见性

可见性是指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。

非阻塞同步（乐观锁）

随着硬件指令集的发展，出现了基于冲突检测的乐观并发策略，通俗地说，就是先进行操作，如果没有其他线程争用共享数据，那操作就成功了；如果共享数据有争用，产生了冲突，那就再采用其他的补偿措施。（最常见的补偿错误就是不断地重试，直到成功为止），这种乐观的并发策略的许多实现都不需要把线程挂起，因此这种同步操作称为非阻塞同步。

非阻塞的实现CAS（Compare-and-Swap）
CAS指令需要有3个操作数，分别是内存地址（在java中理解为变量的内存地址，用V表示）、旧的预期值（用A表示）和新值（用B表示）。CAS指令执行时，CAS指令指令时，当且仅当V处的值符合旧预期值A时，处理器用B更新V处的值，否则它就不执行更新，但是无论是否更新了V处的值，都会返回V的旧值，上述的处理过程是一个原子操作。

CAS的ABA问题
因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。CAS只关注了比较前后的值是否改变，而无法清楚在此过程中变量的变更明细，这就是所谓的ABA漏洞。

ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么A-B-A就变成了1A-2B-3C。JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

volatile：
volatile来保证可见性，当一个变量被volatile修饰后，表示着线程本地内存无效，当一个线程修改共享变量后他会立即被更新到主内存中，当其他线程读取共享变量时，它会直接从主内存中读取。volatile也可以保证线程可见性且提供了一定的有序性，但是无法保证原子性。在JVM底层volatile是采用“内存屏障”来实现的。关于volatile的知识还有很多的，这里就不展开了。先说说什么是有序性、原子性、可见性（上面也有说明）:

有序性

有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。在Java内存模型中，为了效率是允许编译器和处理器对指令进行重排序，当然重排序它不会影响单线程的运行结果，但是对多线程会有影响。

Java提供volatile来保证一定的有序性。最著名的例子就是单例模式里面的DCL（双重检查锁）。

public class Singleton {
      private volatile static Singleton instance;
      private Singleton(){}
      public static Singleton getInstance(){
          if(instance == null){
              synchronized (Singleton.class){
                  if(instance == null){
                      instance = new Singleton();
                  }
              }
          }
          return instance;
      }
  }

原子性

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。原子性就像数据库里面的事务一样，他们是一个团队，同生共死。

在单线程环境下我们可以认为整个步骤都是原子性操作，但是在多线程环境下则不同，Java只保证了基本数据类型的变量和赋值操作才是原子性的（注：在32位的JDK环境下，对64位数据的读取不是原子性操作*，如long、double）。要想在多线程环境下保证原子性，则可以通过锁、synchronized来确保。JDK里面提供了很多atomic类，AtomicInteger,AtomicLong,AtomicBoolean等等。
看一下原子类的代码

/**
 * @Author 安仔夏天勤奋
 * Create Date is  2019/3/28
 * Des
 */
public class AtomicIntegerExample {
    // 请求总数
    public static int clientTotal = 8000;
    // 同时并发执行的线程数
    public static int threadTotal = 100;
    public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();//获取线程池
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);//定义信号量
        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.e("lu","exception", e);
                }
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
        Log.e("lu", "count="+count.get());
    }
    private static void add() {
        count.incrementAndGet();
    }
}

执行看到最后结果是8000是线程安全的。

工具类

总结

1、总体来说线程安全在三个方面体现：

2、要知道确保线程安全作用是什么，无非就是想让程序按照我们预期的行为去执行。
3、确保线程安全的方法除了上面几种方式还要很多的，我们在实战中可以一步步去发现。
4、通过上面的几种确保线程安全方式巩固知识点，有些知识点没有展开，会慢慢地补充。

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