java线程安全总结 - 1 (转载)
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最近想將java基礎的一些東西都整理整理,寫下來,這是對知識的總結,也是一種樂趣。已經擬好了提綱,大概分為這幾個主題:?java線程安全,java垃圾收集,java并發包詳細介紹,java profile和jvm性能調優?。慢慢寫吧。本人jameswxx原創文章,轉載請注明出處,我費了很多心血,多謝了。關于java線 程安全,網上有很多資料,我只想從自己的角度總結對這方面的考慮,有時候寫東西是很痛苦的,知道一些東西,但想用文字說清楚,卻不是那么容易。我認為要認 識java線程安全,必須了解兩個主要的點:java的內存模型,java的線程同步機制。特別是內存模型,java的線程同步機制很大程度上都是基于內 存模型而設定的。后面我還會寫java并發包的文章,詳細總結如何利用java并發包編寫高效安全的多線程并發程序。暫時寫得比較倉促,后面會慢慢補充完 善。
?
淺談java內存模型?
?????? 不同的平臺,內存模型是不一樣的,但是jvm的內存模型規范是統一的。其實java的多線程并發問題最終都會反映在java的內存模型上,所謂線程安全無 非是要控制多個線程對某個資源的有序訪問或修改。總結java的內存模型,要解決兩個主要的問題:可見性和有序性。我們都知道計算機有高速緩存的存在,處 理器并不是每次處理數據都是取內存的。JVM定義了自己的內存模型,屏蔽了底層平臺內存管理細節,對于java開發人員,要清楚在jvm內存模型的基礎 上,如果解決多線程的可見性和有序性。
???????那么,何謂可見性??多個線程之間是不能互相傳遞數據通信的,它們之間的溝通只能通過共享變量來進行。Java內存模型(JMM)規定了jvm有主內存,主內存是多個線程共享 的。當new一個對象的時候,也是被分配在主內存中,每個線程都有自己的工作內存,工作內存存儲了主存的某些對象的副本,當然線程的工作內存大小是有限制 的。當線程操作某個對象時,執行順序如下:
?(1) 從主存復制變量到當前工作內存 (read and load)
?(2) 執行代碼,改變共享變量值 (use and assign)
?(3) 用工作內存數據刷新主存相關內容 (store and write)
JVM規范定義了線程對主存的操作指 令:read,load,use,assign,store,write。當一個共享變量在多個線程的工作內存中都有副本時,如果一個線程修改了這個共享 變量,那么其他線程應該能夠看到這個被修改后的值,這就是多線程的可見性問題。
????????那么,什么是有序性呢??線程在引用變量時不能直接從主內存中引用,如果線程工作內存中沒有該變量,則會從主內存中拷貝一個副本到工作內存中,這個過程為read-load,完 成后線程會引用該副本。當同一線程再度引用該字段時,有可能重新從主存中獲取變量副本(read-load-use),也有可能直接引用原來的副本 (use),也就是說 read,load,use順序可以由JVM實現系統決定。
? ????? 線程不能直接為主存中中字段賦值,它會將值指定給工作內存中的變量副本(assign),完成后這個變量副本會同步到主存儲區(store- write),至于何時同步過去,根據JVM實現系統決定.有該字段,則會從主內存中將該字段賦值到工作內存中,這個過程為read-load,完成后線 程會引用該變量副本,當同一線程多次重復對字段賦值時,比如:
- for(int?i=0;i<10;i++)??
- ?a++;??
?
線程有可能只對工作內存中的副本進行賦值,只到最后一次賦值后才同步到主存儲區,所以assign,store,weite順序可以由JVM實現系統決 定。假設有一個共享變量x,線程a執行x=x+1。從上面的描述中可以知道x=x+1并不是一個原子操作,它的執行過程如下:
1 從主存中讀取變量x副本到工作內存
2 給x加1
3 將x加1后的值寫回主?存
如果另外一個線程b執行x=x-1,執行過程如下:
1 從主存中讀取變量x副本到工作內存
2 給x減1
3 將x減1后的值寫回主存?
那么顯然,最終的x的值是不可靠的。假設x現在為10,線程a加1,線程b減1,從表面上看,似乎最終x還是為10,但是多線程情況下會有這種情況發生:
1:線程a從主存讀取x副本到工作內存,工作內存中x值為10
2:線程b從主存讀取x副本到工作內存,工作內存中x值為10
3:線程a將工作內存中x加1,工作內存中x值為11
4:線程a將x提交主存中,主存中x為11
5:線程b將工作內存中x值減1,工作內存中x值為9
6:線程b將x提交到中主存中,主存中x為9?
同樣,x有可能為11,如果x是一個銀行賬戶,線程a存款,線程b扣款,顯然這樣是有嚴重問題的,要解決這個問題,必須保證線程a和線程b是有序執行的, 并且每個線程執行的加1或減1是一個原子操作。看看下面代碼:
- public?class?Account?{??
- ??
- ????private?int?balance;??
- ??
- ????public?Account(int?balance)?{??
- ????????this.balance?=?balance;??
- ????}??
- ??
- ????public?int?getBalance()?{??
- ????????return?balance;??
- ????}??
- ??
- ????public?void?add(int?num)?{??
- ????????balance?=?balance?+?num;??
- ????}??
- ??
- ????public?void?withdraw(int?num)?{??
- ????????balance?=?balance?-?num;??
- ????}??
- ??
- ????public?static?void?main(String[]?args)?throws?InterruptedException?{??
- ????????Account?account?=?new?Account(1000);??
- ????????Thread?a?=?new?Thread(new?AddThread(account,?20),?"add");??
- ????????Thread?b?=?new?Thread(new?WithdrawThread(account,?20),?"withdraw");??
- ????????a.start();??
- ????????b.start();??
- ????????a.join();??
- ????????b.join();??
- ????????System.out.println(account.getBalance());??
- ????}??
- ??
- ????static?class?AddThread?implements?Runnable?{??
- ????????Account?account;??
- ????????int?????amount;??
- ??
- ????????public?AddThread(Account?account,?int?amount)?{??
- ????????????this.account?=?account;??
- ????????????this.amount?=?amount;??
- ????????}??
- ??
- ????????public?void?run()?{??
- ????????????for?(int?i?=?0;?i?<?200000;?i++)?{??
- ????????????????account.add(amount);??
- ????????????}??
- ????????}??
- ????}??
- ??
- ????static?class?WithdrawThread?implements?Runnable?{??
- ????????Account?account;??
- ????????int?????amount;??
- ??
- ????????public?WithdrawThread(Account?account,?int?amount)?{??
- ????????????this.account?=?account;??
- ????????????this.amount?=?amount;??
- ????????}??
- ??
- ????????public?void?run()?{??
- ????????????for?(int?i?=?0;?i?<?100000;?i++)?{??
- ????????????????account.withdraw(amount);??
- ????????????}??
- ????????}??
- ????}??
- }??
?
第一次執行結果為10200,第二次執行結果為1060,每次執行的結果都是不確定的,因為線程的執行順序是不可預見的。這是java同步產生的根 源,synchronized關鍵字保證了多個線程對于同步塊是互斥的,synchronized作為一種同步手段,解決java多線程的執行有序性和內 存可見性,而volatile關鍵字之解決多線程的內存可見性問題。后面將會詳細介紹。
?
synchronized關鍵 字?
??????? 上面說了,java用synchronized關鍵字做為多線程并發環境的執行有序性的保證手段之一。當一段代碼會修改共享變量,這一段代碼成為互斥區或 臨界區,為了保證共享變量的正確性,synchronized標示了臨界區。典型的用法如下:
- synchronized(鎖){??
- ?????臨界區代碼??
- }???
?
為了保證銀行賬戶的安全,可以操作賬戶的方法如下:
- public?synchronized?void?add(int?num)?{??
- ?????balance?=?balance?+?num;??
- }??
- public?synchronized?void?withdraw(int?num)?{??
- ?????balance?=?balance?-?num;??
- }??
?
剛才不是說了synchronized的用法是這樣的嗎:
- synchronized(鎖){??
- 臨界區代碼??
- }??
?
那么對于public synchronized void add(int num)這種情況,意味著什么呢?其實這種情況,鎖就是這個方法所在的對象。同理,如果方法是public? static synchronized void add(int num),那么鎖就是這個方法所在的class。
??????? 理論上,每個對象都可以做為鎖,但一個對象做為鎖時,應該被多個線程共享,這樣才顯得有意義,在并發環境下,一個沒有共享的對象作為鎖是沒有意義的。假如 有這樣的代碼:
- public?class?ThreadTest{??
- ??public?void?test(){??
- ?????Object?lock=new?Object();??
- ?????synchronized?(lock){??
- ????????//do?something??
- ?????}??
- ??}??
- }??
?
lock變量作為一個鎖存在根本沒有意義,因為它根本不是共享對象,每個線程進來都會執行Object lock=new Object();每個線程都有自己的lock,根本不存在鎖競爭。
??????? 每個鎖對象都有兩個隊列,一個是就緒隊列,一個是阻塞隊列,就緒隊列存儲了將要獲得鎖的線程,阻塞隊列存儲了被阻塞的線程,當一個被線程被喚醒 (notify)后,才會進入到就緒隊列,等待cpu的調度。當一開始線程a第一次執行account.add方法時,jvm會檢查鎖對象account 的就緒隊列是否已經有線程在等待,如果有則表明account的鎖已經被占用了,由于是第一次運行,account的就緒隊列為空,所以線程a獲得了鎖, 執行account.add方法。如果恰好在這個時候,線程b要執行account.withdraw方法,因為線程a已經獲得了鎖還沒有釋放,所以線程 b要進入account的就緒隊列,等到得到鎖后才可以執行。
一個線程執行臨界區代碼過程如下:
1 獲得同步鎖
2 清空工作內存
3 從主存拷貝變量副本到工作內存
4 對這些變量計算
5 將變量從工作內存寫回到主存
6 釋放鎖
可見,synchronized既保證了多線程的并發有序性,又保證了多線程的內存可見性。
生產者/消費者模式?
??????? 生產者/消費者模式其實是一種很經典的線程同步模型,很多時候,并不是光保證多個線程對某共享資源操作的互斥性就夠了,往往多個線程之間都是有協作的。
??????? 假設有這樣一種情況,有一個桌子,桌子上面有一個盤子,盤子里只能放一顆雞蛋,A專門往盤子里放雞蛋,如果盤子里有雞蛋,則一直等到盤子里沒雞蛋,B專門 從盤子里拿雞蛋,如果盤子里沒雞蛋,則等待直到盤子里有雞蛋。其實盤子就是一個互斥區,每次往盤子放雞蛋應該都是互斥的,A的等待其實就是主動放棄鎖,B 等待時還要提醒A放雞蛋。
如何讓線程主動釋放鎖
很簡單,調用鎖的wait()方法就好。wait方法是從Object來的,所以任意對象都有這個方法。看這個代碼片段:
- Object?lock=new?Object();//聲明了一個對象作為鎖??
- ???synchronized?(lock)?{??
- ???????balance?=?balance?-?num;??
- ???????//這里放棄了同步鎖,好不容易得到,又放棄了??
- ???????lock.wait();??
- }??
?
如果一個線程獲得了鎖lock,進入了同步塊,執行lock.wait(),那么這個線程會進入到lock的阻塞隊列。如果調用 lock.notify()則會通知阻塞隊列的某個線程進入就緒隊列。
聲明一個盤子,只能放一個雞蛋
?
Java代碼??- import?java.util.ArrayList;??
- import?java.util.List;??
- ??
- public?class?Plate?{??
- ??
- ????List<Object>?eggs?=?new?ArrayList<Object>();??
- ??
- ????public?synchronized?Object?getEgg()?{??
- ????????while(eggs.size()?==?0)?{??
- ????????????try?{??
- ????????????????wait();??
- ????????????}?catch?(InterruptedException?e)?{??
- ????????????}??
- ????????}??
- ??
- ????????Object?egg?=?eggs.get(0);??
- ????????eggs.clear();//?清空盤子??
- ????????notify();//?喚醒阻塞隊列的某線程到就緒隊列??
- ????????System.out.println("拿到雞蛋");??
- ????????return?egg;??
- ????}??
- ??
- ????public?synchronized?void?putEgg(Object?egg)?{??
- ????????while(eggs.size()?>?0)?{??
- ????????????try?{??
- ????????????????wait();??
- ????????????}?catch?(InterruptedException?e)?{??
- ????????????}??
- ????????}??
- ????????eggs.add(egg);//?往盤子里放雞蛋??
- ????????notify();//?喚醒阻塞隊列的某線程到就緒隊列??
- ????????System.out.println("放入雞蛋");??
- ????}??
- ??????
- ????static?class?AddThread?extends?Thread{??
- ????????private?Plate?plate;??
- ????????private?Object?egg=new?Object();??
- ????????public?AddThread(Plate?plate){??
- ????????????this.plate=plate;??
- ????????}??
- ??????????
- ????????public?void?run(){??
- ????????????for(int?i=0;i<5;i++){??
- ????????????????plate.putEgg(egg);??
- ????????????}??
- ????????}??
- ????}??
- ??????
- ????static?class?GetThread?extends?Thread{??
- ????????private?Plate?plate;??
- ????????public?GetThread(Plate?plate){??
- ????????????this.plate=plate;??
- ????????}??
- ??????????
- ????????public?void?run(){??
- ????????????for(int?i=0;i<5;i++){??
- ????????????????plate.getEgg();??
- ????????????}??
- ????????}??
- ????}??
- ??????
- ????public?static?void?main(String?args[]){??
- ????????try?{??
- ????????????Plate?plate=new?Plate();??
- ????????????Thread?add=new?Thread(new?AddThread(plate));??
- ????????????Thread?get=new?Thread(new?GetThread(plate));??
- ????????????add.start();??
- ????????????get.start();??
- ????????????add.join();??
- ????????????get.join();??
- ????????}?catch?(InterruptedException?e)?{??
- ????????????e.printStackTrace();??
- ????????}??
- ????????System.out.println("測試結束");??
- ????}??
- }??
? 執行結果:
Html代碼??- 放入雞蛋??
- 拿到雞蛋??
- 放入雞蛋??
- 拿到雞蛋??
- 放入雞蛋??
- 拿到雞蛋??
- 放入雞蛋??
- 拿到雞蛋??
- 放入雞蛋??
- 拿到雞蛋??
- 測試結束??
?
?
聲明一個Plate對象為plate,被線程A和線程B共享,A專門放雞蛋,B專門拿雞蛋。假設
1 開始,A調用plate.putEgg方法,此時eggs.size()為0,因此順利將雞蛋放到盤子,還執行了notify()方法,喚醒鎖的阻塞隊列 的線程,此時阻塞隊列還沒有線程。
2 又有一個A線程對象調用plate.putEgg方法,此時eggs.size()不為0,調用wait()方法,自己進入了鎖對象的阻塞隊列。
3 此時,來了一個B線程對象,調用plate.getEgg方法,eggs.size()不為0,順利的拿到了一個雞蛋,還執行了notify()方法,喚 醒鎖的阻塞隊列的線程,此時阻塞隊列有一個A線程對象,喚醒后,它進入到就緒隊列,就緒隊列也就它一個,因此馬上得到鎖,開始往盤子里放雞蛋,此時盤子是 空的,因此放雞蛋成功。
4 假設接著來了線程A,就重復2;假設來料線程B,就重復3。?
整個過程都保證了放雞蛋,拿雞蛋,放雞蛋,拿雞蛋。
?
volatile關鍵字?
?????? volatile是java提供的一種同步手段,只不過它是輕量級的同步,為什么這么說,因為volatile只能保證多線程的內存可見性,不能保證多線 程的執行有序性。而最徹底的同步要保證有序性和可見性,例如synchronized。任何被volatile修飾的變量,都不拷貝副本到工作內存,任何 修改都及時寫在主存。因此對于Valatile修飾的變量的修改,所有線程馬上就能看到,但是volatile不能保證對變量的修改是有序的。什么意思 呢?假如有這樣的代碼:
- public?class?VolatileTest{??
- ??public?volatile?int?a;??
- ??public?void?add(int?count){??
- ???????a=a+count;??
- ??}??
- }??
?
??????? 當一個VolatileTest對象被多個線程共享,a的值不一定是正確的,因為a=a+count包含了好幾步操作,而此時多個線程的執行是無序的,因 為沒有任何機制來保證多個線程的執行有序性和原子性。volatile存在的意義是,任何線程對a的修改,都會馬上被其他線程讀取到,因為直接操作主存, 沒有線程對工作內存和主存的同步。所以,volatile的使用場景是有限的,在有限的一些情形下可以使用 volatile 變量替代鎖。要使 volatile 變量提供理想的線程安全,必須同時滿足下面兩個條件:
1)對 變量的寫操作不依賴于當前值。
2)該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中?
volatile只保證了可見性,所以Volatile適合直接賦值的場景,如
- public?class?VolatileTest{??
- ??public?volatile?int?a;??
- ??public?void?setA(int?a){??
- ??????this.a=a;??
- ??}??
- }??
?
在沒有volatile聲明時,多線程環境下,a的最終值不一定是正確的,因為this.a=a;涉及到給a賦值和將a同步回主存的步驟,這個順序可能被 打亂。如果用volatile聲明了,讀取主存副本到工作內存和同步a到主存的步驟,相當于是一個原子操作。所以簡單來說,volatile適合這種場 景:一個變量被多個線程共享,線程直接給這個變量賦值。這是一種很簡單的同步場景,這時候使用volatile的開銷將會非常小。
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的java线程安全总结 - 1 (转载)的全部內容,希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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