线程安全

Java 内存模型

多线程风险

在 Java 程序中，存储数据的内存空间分为共享内存和本地内存。线程在读写主存的共享变量时，会先将该变量拷贝一份副本到自己的本地内存，然后在自己的本地内存中对该变量进行操作，完成操作之后再将结果同步至主内存。

类型	存储介质	数据	特征
共享内存	主内存	存放变量	多线程共享
本地内存	CPU 高速缓存、缓冲区、寄存器以及其它硬件优化	临时存放线程使用的变量副本	使用期间其它线程无法访问

优势：由于 CPU 执行速度明先快于内存读写速度，将运算需要的数据拷贝到 CPU 高速缓存中运算，可以大大加快程序运行速度。
劣势：主内存数据和本地内存的不同步，导致多个线程同时操作主内存里的同一个变量时，变量数据可能会遭到破坏。

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread t = new MyThread();
        Thread t1 = new Thread(t);
        Thread t2 = new Thread(t);
        t1.start();
        t2.start();
    }
}
class MyThread implements Runnable {
    private int x = 0;                            // 对象中的数据由线程共享
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            x++;
        }
        System.out.println("final x: " + x);     // 最后输出的数据不一定为 20000
    }
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行为规范

JMM 定义了共享内存系统中多线程程序读写操作行为的规范，用来保证共享内存的原子性、可见性、有序性。

网络异常，图片无法展示

原子性

原子性是指一个操作，要么全部执行并且执行过程不会被打断，要么就都不执行。

Java 语言本身只保证了基本类型变量的读取和赋值是原子性操作。
简单操作的原子性可以通过 Atomic 原子类实现。
通过 synchronized 和 ReenTrantLock 等锁结构可以保证更大范围的原子性。

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。

Java 语言会尽可能保证主内存数据和本地内存同步，但仍可能出现不可见问题。
通常用 volatile 关键字来保证可见性。
通过 synchronized 和 ReenTrantLock 等锁结构在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中，也能够保证可见性。

有序性

有序性是指程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

Java 内存模型具备先天的有序性。但 Java 允许编译器和处理器对指令进行重排序，可能影响多线程并发执行时的有序性。
通过 synchronized 和 ReenTrantLock 等锁结构可以保证有序性。
volatile 关键字可以禁止 JVM 的指令重排，也可以保证有序性。

线程锁

互斥锁和自旋锁

互斥锁

阻塞锁。当线程需要获取的锁已经被其他线程占用时，该线程会被直接挂起。直到其他线程释放锁，由操作系统激活线程。

适用于锁使用者保持锁时间比较长的情况，线程挂起后不再消耗 CPU 资源。

自旋锁

非阻塞锁。当线程需要获取的锁已经被其他线程占用时，该线程会不断地消耗 CPU 的时间去试图获取锁。

适用于锁使用者保持锁时间比较短的情况，没有用户态和内核态调度、上下文切换的开销和损耗。

悲观锁和乐观锁

悲观锁

每次读写资源时都会给资源上锁，其他线程想获取该资源时会被阻塞，直到其释放锁。

适用于写频繁的应用场景，写资源请求不会被一直驳回。synchronized 和 ReentrantLock 等独占锁都是悲观锁。

乐观锁

读资源时不会给资源上锁，多个线程可以同时读取资源。写资源时会比对数据检查其他线程有没有更新过该资源，如果未更新就写入资源并更新版本号，否则写资源请求被驳回，重新读取并写资源。

适用于读频繁的应用场景，多线程同时读取能有效提高吞吐量。CAS 算法和版本号机制都是乐观锁，悲观锁的抢占也会利用 CAS 算法。

公平锁和非公平锁

公平锁

加入到队列中等待唤醒，先到者先拿到锁。

公平锁不会出现线程饥饿，迟迟无法获取锁的情况。ReentrantLock 可以实现公平锁。

非公平锁

当线程要获取锁时通过两次 CAS 操作去抢锁，如果没抢到加入到队列中等待唤醒。

非公平锁的性能更好。synchronized 是非公平锁，ReentrantLock 默认情况下也是非公平锁。

可重入锁

允许一个线程对同一对象多次上锁。由 JVM 记录对象被线程加锁次数，只有当线程释放掉所有锁（加锁次数为0）时，其他线程才获准进入。

synchronized 和 ReentrantLock 等锁结构都是可重入锁。

底层实现

volatile 关键字

修饰成员变量，每次被线程访问时，强迫从主存中读写该成员变量的值。

volatile 关键字只能保证可见性，不能保证原子性。多个线程同时操作主内存里的同一个变量时，变量数据仍有可能会遭到破坏。

线程执行过程中如果 CPU 一直满载运转，就会默认使用本地内存中的值，而没有空闲读取主存同步数据。
线程执行过程中一旦 CPU 获得空闲，JVM 也会自动同步主存数据，尽可能保证可见性。

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyThread t = new MyThread();
        t.start();
        try { 
            Thread.sleep(1000); 
        } catch(InterruptedException e) {}
        t.setRun(false);      
    }
}
class MyThread extends Thread {
    // 添加 volatile 关键字，强制同步主存数据。
    // 删除 volatile 关键字，子线程将始终读取本地内存中 true 副本：陷入死循环。
    private volatile boolean run = true;             
    public void setRun(boolean run) { this.run = run; }
    @Override
    public void run() {
        while (this.run == true) {
            int a = 2;
            int b = 3;
            int c = a + b;
            // System.out.print("CPU rest");      打印输出时 CPU 获得空闲，自动同步主存数据。
        }
        System.out.print("end");   
        return;
    }
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synchronized 关键字

修饰方法或代码块。被线程访问时由线程抢占锁，直到执行完毕后自动释放锁。其他线程没有获得锁将无法访问上锁内容。保证了指定内容在同一时刻只有一个线程能访问。

修饰 static 方法实质是给当前类上锁：这个类的所有 synchronized static 方法共享一个锁。
修饰实例方法实质是给对象上锁：这个对象内所有的 synchronized 实例方法共享一个锁。

每一个对象都有且仅有一个与之对应的 monitor 对象。synchronized 关键字修饰方法时会对方法添加标志位，当线程执行到某个方法时，JVM会去检查该方法的访问标志是否被设置，如果设置了线程会先获取这个对象所对应的 monitor 对象，再执行方法体，方法执行完后释放 monitor 。

同步代码块则是在同步代码块前插入 monitorenter ，在同步代码块结束后插入 monitorexit 。

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadDemo test = new ThreadDemo();
        new Thread(test::m1).start();
        new Thread(test::m2).start();   
    }
    public synchronized void m1() {
        System.out.println("1");
        try { 
            Thread.sleep(1000); 
        } catch(InterruptedException e) {}
        System.out.println("2");
    }
    public synchronized void m2() {
        System.out.println("3");
        try { 
            Thread.sleep(500); 
        } catch(InterruptedException e) {}
        System.out.println("4");
    }
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同步对象

创建两个不同的对象就拥有两把不同的锁，不同对象的 synchronized 实例方法互不影响。

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadDemo test1 = new ThreadDemo();
        ThreadDemo test2 = new ThreadDemo();
        new Thread(test1::m1).start();
        new Thread(test2::m2).start(); 
    }
    public synchronized void m1() {
        System.out.println("1");
        try { Thread.sleep(1500); } catch(InterruptedException e) {}
        System.out.println("4");
    }
    public synchronized void m2() {
        try { Thread.sleep(500); } catch(InterruptedException e) {}
        System.out.println("2");
        try { Thread.sleep(500); } catch(InterruptedException e) {}
        System.out.println("3");
    }
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同步方法

其他线程无法获取该对象锁，就不能访问该对象的所有 synchronized 实例方法，但仍可以访问其他方法。 synchronized 实例方法中调取的数据仍可能被其他方法修改。

在实际开发过程中，我们常常对写操作加锁，但对读操作不加锁，提升系统的并发性能。但可能会导致脏读问题。

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadDemo test = new ThreadDemo();
        new Thread(test::m1).start();
        new Thread(test::m2).start(); 
    }
    boolean data = false;
    public synchronized void m1() {
        System.out.println(data);            // false
        try { 
            Thread.sleep(1000); 
        } catch(InterruptedException e) {}
        System.out.println(data);             // true
    }
    public void m2() throws {
        try { 
            Thread.sleep(500); 
        } catch(InterruptedException e) {}
        this.data = true;
    }
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同步代码块

如果我们需要同步的代码只有一小部分，就没有必要对整个方法进行同步操作，我们只需要同步的代码块进行包裹。

修饰代码块，需要指定被上锁的对象或者类。每次线程进入 synchronized 代码块时就会要求当前线程持有该对象锁，如果当前有其他线程正持有该对象锁，那么新到的线程就必须等待，这样也就保证了每次只有一个线程执行操作。我们通常使用 this 对象或者当前类的 class 对象作为锁。

不要以字符串对象作为锁的对象。字符串常量在常量池里被锁定，可能会导致意想不到的阻塞。

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadDemo test = new ThreadDemo();
        new Thread(test::m1).start();
        new Thread(test::m2).start();   
    }
    public void m1() {
        synchronized(this) {
            System.out.println("1");
            try { 
                Thread.sleep(1000); 
            } catch(InterruptedException e) {}
            System.out.println("2");
        }  
    }
    public synchronized void m2() {
        synchronized(this) {
            System.out.println("3");
            try { 
                Thread.sleep(500); 
            } catch(InterruptedException e) {}
            System.out.println("4");
        }
    }
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线程执行代码出现异常时也会自动释放所有锁，因此在 synchronized 内部处理异常一定要非常小心。如果不想释放锁，使用 try-catch 语句捕获异常。

两者的区别

volatile 关键字用于修饰变量，synchronized 关键字用于修饰方法以及代码块。
volatile 关键字是数据同步的轻量级实现，性能比 synchronized 关键字更好。
volatile 关键字被多线程访问不会发生阻塞，synchronized 关键字可能发生阻塞。
volatile 关键字能保证数据的可见性，但不能保证数据的原子性。synchronized 关键字两者都能保证。

// 双重锁结构实现单例模式
public class Singleton {  
    private volatile static Singleton singleton;  
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getSingleton() {  
        if (singleton == null) {  
            synchronized (Singleton.class) {    
                if (singleton == null) {  
                    singleton = new Singleton();  
                }  
            }  
        }  
        return singleton;  
    }  
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ReentrantLock 锁

实现 Lock 接口，使用时需导入 import java.util.concurrent.locks.*;。

实现功能和 synchronized 关键字类似。但 synchronized 关键字是在 JVM 层面实现的，而 ReenTrantLock 是在 JDK 层面实现的。需要手动调用 lock 和 unlock 方法配合 try/finally 语句块来完成。

public class ReentrantLockTest {
    // 创建锁对象
    static Lock lock = new ReentrantLock();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for(int i = 0; i < 5; i++){
            new Thread(new MyThread()).start();
        }
    }
    static class MyThread implements Runnable {
        @Override
        public void run() {                                   
            try {
                // 加锁，通常在 try 语句里完成
                lock.lock();
                Thread.sleep(500);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "excute");
            } catch (InterruptedException e) {}
            finally{
                // 解锁，必须在 finally 语句里完成
                lock.unlock();    
            }                      
            }
        }
    }
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ReenTrantLock 比 synchronized 增加了一些高级功能，主要有以下三点：

实现等待中断

调用 lockInterruptibly 方法上锁，线程中断标志置为 true 时会抛出 InterruptedException 异常并释放锁。防止线程因为无法获得锁而一直等待，常用来从外部破坏线程死锁。

public class ThreadDemo {
    // 创建锁对象
    static Lock lock = new ReentrantLock();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(new MyThread(),"thread1");
        Thread t2 = new Thread(new MyThread(),"thread2");
        t1.start();
        t2.start();
        Thread.sleep(500);
        // 提前中断线程
        t2.interrupt();                                      
    }
    static class MyThread implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "begin");
            try {
                // 加可中断锁
                lock.lockInterruptibly();                    
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "out");
            } finally{
                try{
                    lock.unlock();
                } catch(IllegalMonitorStateException e) {}  
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "end");
            }
        }
    }
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调用 tryLock 方法上锁，可以从线程内部破坏死锁，可以更好地解决死锁问题。

传入时间参数设定等待锁的时间，超时没有获得锁则中止。
无参则返回锁申请的结果：true表示获取锁成功，false表示获取锁失败。

public class ThreadDemo {
    // 创建锁对象
    static Lock lock = new ReentrantLock();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(new MyThread(),"thread1");
        Thread t2 = new Thread(new MyThread(),"thread2");
        t1.start();
        t2.start();                                  
    }
    static class MyThread implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "begin");
            try {
                // 加锁失败直接退出
                if(!lock.tryLock()) {                         
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "out");
                    return;
                }                  
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally{
                try{
                    lock.unlock();
                } catch(IllegalMonitorStateException e) {}
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "end");
            }
        }
    }
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实现公平锁

允许先等待的线程先获取锁，防止线程因无法获得锁而一直等待。但由于性能优势，默认情况下仍使用非公平锁。在构造锁对象时添加参数 true 即可实现。

import java.util.concurrent.locks.*;
public class ReentrantLockTest {
    // 创建锁对象，且声明为公平锁
    static Lock lock = new ReentrantLock(true);
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for(int i = 0; i < 5; i++){
            new Thread(new MyThread()).start();
        }
    }
    static class MyThread implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            lock.lock();                                     
            try {
                Thread.sleep(500);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "excute");
            } catch (InterruptedException e) {}
            lock.unlock();                                 
            }
        }
    }
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选择性通知

ReentrantLock 对象可以创建一个或多个 Condition 对象，实现线程间的等待通知机制。比 synchronized 关键字使用 wait/notify 方法更为简便和易用。

线程获得 Lock 锁之后便可调用 Condition 接口的 await 方法释放锁并等待,直到有其他线程调用 Condition 的 signal 方法唤醒线程。通过设置多个 condition 对象，多个线程等待不同的 condition 对象，可以实现选择性地叫醒线程。

public class ThreadDemo {
    static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    static Condition condition = lock.newCondition();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        new Thread(new MyThread()).start();
        System.out.println("主线程等待通知");
        try {
            condition.await();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
        System.out.println("主线程恢复运行");
    }
    static class MyThread implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            lock.lock();
            try {
                condition.signal();
                System.out.println("子线程通知");
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
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Atomic 原子类

原子对象的单个方法具有原子性，通过 CAS 算法和自旋操作实现，并发效率高。使用时需导入 import java.util.concurrent.atomic.*。

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread t = new MyThread();
        Thread t1 = new Thread(t);
        Thread t2 = new Thread(t);
        t1.start();
        t2.start();
    }
}
class MyThread implements Runnable {
    AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);       // 定义整型地原子类
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            count.incrementAndGet();                  // 原子性自增操作
        }
        System.out.println("final x: " + count);      // 最后输出的数据为 20000
    }
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ThreadLocal 线程本地对象

ThreadLocal 类会对每一个线程创建一个副本，用来保存其私有的数据，其他线程无法访问。简单方便且并发性好，在开发框架中被大量使用，比如 session 管理。

ThreadLocal 方法

ThreadLocal threadLocal = new ThreadLocal();        // 构造 ThreadLocal
ThreadLocal<T> threadLocal = new ThreadLocal<>();   // 支持泛型
threadLocal.get();                      // 获取当前线程中保存的变量副本
threadLocal.set(10);                    // 设置当前线程中变量的副本
threadLocal.remove();                   // 移除当前线程中变量的副本Copy to clipboardErrorCopied
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ThreadLocal 示例

// 两个线程从同一个 MyThread 对象取值，但结果不同。
public class ThreadLocalExample {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread t = new MyThread();
        Thread thread1 = new Thread(t);
        Thread thread2 = new Thread(t);
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}
class MyThread implements Runnable {
    private ThreadLocal threadLocal = new ThreadLocal();
    @Override
    public void run() {
        threadLocal.set((int) (Math.random() * 100D));
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {}
        System.out.println(threadLocal.get());
    }
}

线程安全

线程安全

Java 内存模型

多线程风险

行为规范

原子性

可见性

有序性

线程锁

互斥锁和自旋锁

悲观锁和乐观锁

公平锁和非公平锁

可重入锁

底层实现

volatile 关键字

synchronized 关键字

同步对象

同步方法

同步代码块

两者的区别

ReentrantLock 锁

实现等待中断

实现公平锁

选择性通知

Atomic 原子类

ThreadLocal 线程本地对象

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