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多线程安全(synchronized、三大特性、Java内存模型)

线程安全问题？

什么是线程安全问题？简单的说，当多个线程在共享同一个变量，做读写的时候，会由于其他线程的干扰，导致数据误差，就会出现线程安全问题。

比如说，多个窗口同时卖票这个案例：

 1 public class ThreadTrain2 implements Runnable {
 2     private int tickets = 50;
 3     @Override
 4     public void run() {
 5         while(tickets > 0){
 6                 if (tickets > 0) {                            
　　　　　　　　　　　　　　System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖了第" + (50 - tickets + 1) + "张票");
 7                     tickets--;
 8                 }
 9             }
10         }        
11     }
12     public static void main(String[] args) {
13         ThreadTrain2 tt = new ThreadTrain2();
14         Thread th1 = new Thread(tt, "1号窗口");
15         Thread th2 = new Thread(tt, "2号窗口");
16         th1.start();
17         th2.start();    
18     }
19 }

模拟两个窗口共同卖50张票，什么都不考虑，按照上面的写法，运行的结果有时候并不是我们想要的，会完全乱了套。

我们该如何解决多线程安全问题？

使用多线程同步(synchronized)或者加锁lock

什么是多线程同步？就是当多个线程共享同一个资源时，不会受到其他线程的干扰。

为什么这两种方法可以解决线程的安全问题？

当把可能发生冲突的代码包裹在synchronized或者lock里面后，同一时刻只会有一个线程执行该段代码，其他线程必须等该线程执行完毕释放锁以后，才能去抢锁，获得锁以后，才拥有执行权，这样就解决的数据的冲突，实现了线程的安全。

卖票的案例同步后为：

 1 public class ThreadTrain2 implements Runnable {
 2     private int tickets = 50;
 3     private static Object obj = new Object();//锁的对象，可以是任意的对象
 4     @Override
 5     public void run() {
 6         while(tickets > 0){ 
 7             synchronized (obj) {// 同步代码块
 8                 if (tickets > 0) {
 9                     System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖了第" + (50 - tickets + 1) + "张票");
10                     tickets--;
11                 }
12             }
13         }    
14     }
15     public static void main(String[] args) {
16         ThreadTrain2 tt = new ThreadTrain2();
17         Thread th1 = new Thread(tt, "1号窗口");
18         Thread th2 = new Thread(tt, "2号窗口");
19         th1.start();
20         th2.start();    
21     }
22 }
23

上面是同步代码块的加锁方式，可以解决线程安全问题。同时，还有一种同步函数的方式，就是在方法上直接加synchronized，可以实现同样的效果，那么现在有一个问题，在方法上加synchronized修饰，锁的对象是什么呢？？？this。。下面来验证一下为什么是this:

public class ThreadTrain1 implements Runnable {
    private int tickets = 100;
    private static Object obj = new Object();
    private static boolean flag = true;
    @Override
    public void run() {
        if (flag) {
            try {
                Thread.sleep(50);
            } catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
            synchronized (this) {// 同步代码块
                while (tickets > 0) {
                    if (tickets > 0) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖了第" + (100 - tickets + 1) + "张票");
                        tickets--;
                    }
                }
            }
        } else {
            while (tickets > 0) {
                sale();
            }
        }
    }
    public synchronized void sale() {
        if (tickets > 0) {
        try {
            Thread.sleep(50);
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖了第" + (100 - tickets + 1) + "张票");
            tickets--;
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        ThreadTrain1 tt = new ThreadTrain1();
        Thread th1 = new Thread(tt, "1号窗口");
        Thread th2 = new Thread(tt, "2号窗口");
        th1.start();
        try {
            Thread.sleep(40);
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
        ThreadTrain1.flag = false;
        th2.start();
    }
}

View Code

点击+号查看代码，代码中的执行结果是绝对正确的，我们是采用一个线程使用同步代码块，另一个线程使用同步函数的方式，看是否会发生数据错误，作为对比，下面的代码中同步代码块我们不使用this，而是使用obj这个对象：

public class ThreadTrain1 implements Runnable {
    private int tickets = 100;
    private static Object obj = new Object();
    private static boolean flag = true;
    @Override
    public void run() {
        if (flag) {
            try {
                Thread.sleep(50);
            } catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
            synchronized (obj) {// 同步代码块
                while (tickets > 0) {
                    if (tickets > 0) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖了第" + (100 - tickets + 1) + "张票");
                        tickets--;
                    }
                }
            }
        } else {
            while (tickets > 0) {
                sale();
            }
        }
    }
    public synchronized void sale() {
        if (tickets > 0) {
        try {
            Thread.sleep(50);
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖了第" + (100 - tickets + 1) + "张票");
            tickets--;
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        ThreadTrain1 tt = new ThreadTrain1();
        Thread th1 = new Thread(tt, "1号窗口");
        Thread th2 = new Thread(tt, "2号窗口");
        th1.start();
        try {
            Thread.sleep(40);
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
        ThreadTrain1.flag = false;
        th2.start();
    }
}

View Code

显然，这段代码最后会出现数据冲突的情况，因为两个线程拿到的不是同一把锁，也证明了同步函数锁的是this。

明白了同步函数的锁是this，那么加上static以后，锁的对象会不会发生改变，还是依然是this？？？

先锁this，验证是否是this：

public class ThreadTrain1 implements Runnable {
    private static int tickets = 100;
    private static boolean flag = true;
    @Override
    public void run() {
        if (flag) {
            try {
                Thread.sleep(50);
            } catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
            synchronized (this) {// 同步代码块
                while (tickets > 0) {
                    if (tickets > 0) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖了第" + (100 - tickets + 1) + "张票");
                        tickets--;
                    }
                }
            }
        } else {
            while (tickets > 0) {
                sale();
            }
        }
    }
    public static synchronized void sale() {
        if (tickets > 0) {
        try {
            Thread.sleep(50);
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖了第" + (100 - tickets + 1) + "张票");
            tickets--;
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        ThreadTrain1 tt = new ThreadTrain1();
        Thread th1 = new Thread(tt, "1号窗口");
        Thread th2 = new Thread(tt, "2号窗口");
        th1.start();
        try {
            Thread.sleep(40);
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
        ThreadTrain1.flag = false;
        th2.start();
    }
}

View Code

出现了数据错误，这里我们不做猜测，只做验证，静态的同步函数锁的是当前类的字节码文件，代码验证：

public class ThreadTrain1 implements Runnable {
    private static int tickets = 100;
    private static boolean flag = true;
    @Override
    public void run() {
        if (flag) {
            try {
                Thread.sleep(50);
            } catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
            synchronized (ThreadTrain1.class) {// 同步代码块
                while (tickets > 0) {
                    if (tickets > 0) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖了第" + (100 - tickets + 1) + "张票");
                        tickets--;
                    }
                }
            }
        } else {
            while (tickets > 0) {
                sale();
            }
        }
    }
    public static synchronized void sale() {
        if (tickets > 0) {
        try {
            Thread.sleep(50);
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖了第" + (100 - tickets + 1) + "张票");
            tickets--;
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        ThreadTrain1 tt = new ThreadTrain1();
        Thread th1 = new Thread(tt, "1号窗口");
        Thread th2 = new Thread(tt, "2号窗口");
        th1.start();
        try {
            Thread.sleep(40);
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
        ThreadTrain1.flag = false;
        th2.start();
    }
}

View Code

多线程死锁

同步中嵌套同步，锁没有来得及释放，一直等待，就导致死锁。

下面这段代码，多运行几次就会出现死锁，思路是开启两个线程，让这两个线程执行的代码获取的锁的顺序不同，第一个线程需要先获得obj对象锁，然后再获得this锁，才可以执行代码，然后释放两把锁。线程2需要先获得this锁，再获取obj对象锁才可执行代码，然后释放两把锁。但是，当线程1获得了obj锁之后，线程2获得了this锁，这时候线程1需要获得this锁才可执行，但是线程2也无法获取到obj对象锁执行代码并释放，所以两个线程都拿着一把锁不释放，这就产生了死锁。

public class ThreadTrain3 implements Runnable {
    private static int tickets = 100;
    private static Object obj = new Object();
    private static boolean flag = true;
    @Override
    public void run() {
        if (flag) {
            while (true) {
                System.out.println("111111");
                synchronized (obj) {// 同步代码块
                    sale();
                }
            }
        } else {
            
            while (true) {
                System.out.println(222222);
                sale();
            }
        }
    }
    public synchronized void sale() {
        synchronized(obj){
        if (tickets > 0) {
            try {
                Thread.sleep(50);
            } catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖了第" + (100 - tickets + 1) + "张票");
            tickets--;
        }
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        ThreadTrain3 tt = new ThreadTrain3();
        Thread th1 = new Thread(tt, "1号窗口");
        Thread th2 = new Thread(tt, "2号窗口");
        th1.start();
        try {
            Thread.sleep(40);
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
        ThreadTrain3.flag = false;
        System.out.println(flag);
        th2.start();
    }
}

View Code

多线程的三大特性

原子性

原子性就是在执行一个或者多个操作的过程中，要么全部执行完不被任何因素打断，要么不执行。比如银行转账，A账户减去100元，B账户必须增加100元，对这两个账户的操作必须保证原子性，才不会出现问题。还有比如：i=i+1的操作，需要先取出i，然后对i进行+1操作，然后再给i赋值，这个式子就不是原子性的，需要同步来实现数据的安全。

原子性就是为了保证数据一致，线程安全。

可见性

当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了变量的值，其他的线程能立即看到，这就是可见性。

这里讲一下Java内存模型？简称JMM，决定了一个线程与另一个线程是否可见，包括主内存（存放共享的全局变量）和私有本地内存（存放本地线程私有变量）

本地私有内存存放的是共享变量的副本，线程操作共享变量，首先操作的是自己本地内存的副本，当同一时刻只有一个线程操作共享变量时，该线程操作完毕本地内存，然后会刷新到主内存，然后主内存会通知另一个线程，进而更新；但是如果同一时刻有多个线程操作共享变量，会来不及更新主内存进而通知其他线程更新变量，就会出现冲突问题。

有序性

就是程序的执行顺序会按照代码先后顺序进行执行，一般情况下，处理器由于要提高执行效率，对代码进行重排序，运行的顺序可能和代码先后顺序不同，但是结果一样。单线程下不会出现问题，多线程就会出现问题了。

volatile

保证可见性，但是不保证原子性。

下面这个案例10个线程共享同一个count，进行+1操作：

public class VolatileTest extends Thread{
    private volatile static int count = 0;
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            count++;
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+count);
    }
    public static void main(String[] args) {
        VolatileTest[] list = new VolatileTest[10];
        for (int i = 0; i < list.length; i++) {
            list[i] = new VolatileTest();
        }
        for (int i = 0; i < list.length; i++) {
            list[i].start();
        }
    }
}

多运行几次，就会出现最后结果有不到1000的情况，也就证明了volatile不会保证原子性。

保证原子性，jdk1.5之后，并发包提供了很多原子类，例如AtomicInteger ：

public class VolatileTest2 extends Thread{
    private static AtomicInteger count = new AtomicInteger();
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            count.incrementAndGet();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+count.get());
    }
    public static void main(String[] args) {
        VolatileTest2[] list = new VolatileTest2[10];
        for (int i = 0; i < list.length; i++) {
            list[i] = new VolatileTest2();
        }
        for (int i = 0; i < list.length; i++) {
            list[i].start();
        }
    }
}

AtomicInteger解决了同步， 最后的结果最大的肯定是1000

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