线程安全以及解决方案

文章目录

1.线程安全的原因
- - ①抢占式执行
  - ②多线程修改同一个变量
  - ③修改的操作不是原子的
  - ④内存可见性
  - ⑤指令重排序
2. 线程安全的解决方案
3 synchronized的特性------可重入锁

1.线程安全的原因

①抢占式执行

操作系统对线程的调度是随机的，没有规律（主要原因）

例如：定义了一个变量count，执行count++这种操作，本质上是三个CPU指令，load（将count的值读入cpu寄存器中）、add（将寄存器的数据进行+1）、save（将寄存器中的数据读入到内存中），而CPU执行指令都是以一个指令为单位顺序进行的，试想，有两个线程同时执行count++操作，这些一个一个的指令就会抢占执行，线程一的add的操作刚完，线程二的add就抢占了下一个位置…

线程的调度是随机的，在有些调度下，代码的逻辑会出现问题，结果会与预计结果不同，但这个是内核实现的，没有办法改变

②多线程修改同一个变量

当多线程修改同一个变量时，会出现问题。一个线程修改一个变量，结果不会出现问题，多线程修改不同的变量也不会出现问题，多线程读取同一个变量也不会出现问题。

就像刚刚提到的抢占式执行的例子，如果一个变量count，进行count++这种操作，分load、add、save，要说线程一二修改不同变量倒也没事，互不干扰，然如果修改同一变量，就会出现以下情况：
在这里插入图片描述
如上，这两种是正常情况，这两种执行结果与预期结果相符，但更多的是出现下面的情况：

上面只是列举了两种异常情况，实际上的异常情况更多，线程调度的顺序是随机的，两个线程的执行顺序有无数种，在有些调度顺序下，代码逻辑就会出现问题，发生线程安全问题。

总结：这里确实可以通过调整代码，来避免线程安全问题，但是以及适用性不高；

③修改的操作不是原子的

原子表示不可分割的最小单位，CPU执行指令是一条一条执行的，这一条一条的指令就可以理解为原子，也正因为count++不是原子的才会引发上述的多线程修改同一变量会引发线程安全；

结论：既然上述1，2都没有方法很好的解决线程安全问题，那么咱就试试从这入手——修改操作，使其是原子的，也就是说，咱可以把这些多个原子操作包装成一个原子操作！（例如可以把刚刚所说的count++这个例子的的三条指令包装成一个）；

④内存可见性

可见性指, 一个线程对共享变量值的修改，能够及时地被其他线程看到.

例如，一个线程负责读数据，另一个线程负责修改数据：

 	private static int isQuit = 0;
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            while (isQuit == 0) {   //次数过多编译器会进行优化，volatile防止JVM优化
                // 循环体里啥都没干.
                // 此时意味着这个循环, 一秒钟就会执行很多很多次.
            }
            System.out.println("t1 退出!");
        });
        t1.start();

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            System.out.println("请输入 isQuit: ");
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            // 一旦用户输入的值, 不为 0, 此时就会使 t1 线程执行结束.
            isQuit = scanner.nextInt();
        });
        t2.start();
    }

这里的while(isQuit == 0)，就是要先从内存中读取isQuit 的值（LOAD操作），再到寄存器中读取isQuit 的值与0进行比较（CMP操作），这里while会循环的进行这个操作（非常快），而我们知道的是，CPU读写数据最快，内存次之（与CPU差3 ~ 4个数量级），硬盘最慢（与内存差3 ~ 4个数量级）；所以LOAD从内存中读取数据操作的速度相对于在CPU上进行CMP操作就要慢的多，那么编译器就要偷懒了，既然频繁的LOAD读取isQuit 这个数据，多次执行的结果还都是一样，干脆LOAD就只执行一次；将CPU读内存的操作变成读取寄存器，减少读取内存的操作，也可以提高整体程序的效率。
在这里插入图片描述
运行上述代码：

分析：这时可以发现，当输入数字5时，相当于修改了isQuit 这个变量的值为5，按理来说t1线程的run方法中isQuit 只要不等于0就会停下来，可是程序依旧没有停止，就出现了内存可见性问题，直接读取寄存器的值，而没有读取我们修改之后的值；

编译器优化，在多线程情况下可能存在误判——使用volatile关键字，可以告诉JVM不允许优化

private static volatile int isQuit = 0;

在这里插入图片描述
可以看到，当我们线程2一修改isQuit的值，线程1就停止运行了。

volvatile 关键字有如下两大作用：

禁止指令重排序：保证指令执行的顺序，防止 JVM 出于优化而修改指令执行顺序，引发线程安全问题。
保证内存可见性：也就是说，保证了我们读取到的数据是内存中的数据，而不是缓存，具体的，当一个线程修改一个共享变量时，另外一个线程能读到这个修改的值。

Java 内存模型 (JMM):
Java虚拟机规范中定义了Java内存模型. 目的是屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的并发效果.

⑤指令重排序

一段代码是这样的：

去前台取下 U 盘
去教室写 10 分钟作业
去前台取下快递

如果是在单线程情况下，JVM、CPU指令集会对其进行优化，比如，按 1->3->2的方式执行，也是没问题，可以少跑一次前台。这种叫做指令重排序编译器对于指令重排序的前提是 “保持逻辑不发生变化”. 这一点在单线程环境下比较容易判断, 但是在多线程环境下就没那么容易了, 多线程的代码执行复杂程度更高, 编译器很难在编译阶段对代码的执行效果进行预测, 因此激进的重排序很容易导致优化后的逻辑和之前不等价.

总结：JVM的代码优化在多线程情况下，也会带来一些BUG；

2. 线程安全的解决方案

上面提到操作不是原子的，我们可以从这里入手，将count++这个操作的三个布置包装成一个步骤变成原子的，如何做呢——“加锁”；count++之前加锁，count++之后再解锁，别的线程若是想在加锁和解锁之间进行需修改，很抱歉，修改不了，别的线程只能处于阻塞等待的线程状态（BLOCKED状态）;

Java的代码中如何进行加锁呢？

使用synchronized关键字，synchronized 会起到互斥效果, 某个线程执行到某个对象的 synchronized中时, 其他线程如果也执行到同一个对象 synchronized 就会阻塞等待（BLOCKED状态）.

进入 synchronized 修饰的代码块, 相当于加锁
退出 synchronized 修饰的代码块, 相当于解锁

    //对实例方法加锁
    synchronized public void increase(){
        count++;
    }

在这里插入图片描述

这个锁具体是怎么执行的呢？
锁具有抢占特性，如果这个锁没人加，有人想加，就可以立即加上，若这个锁以及被人加上了，加锁操作就会阻塞等待；如刚才的栗子，count++分三步进行,load、add、save，而线程调度是随机的过程，一旦这两个线程同时调用，这两组三个操作就会进行排列组合，就会产生线程不安全，现在使用锁，就可以使这三个操作串行执行了；如下
在这里插入图片描述
此时，并发执行就变成了串行执行，这个操作就会减慢执行效率，但是保证了线程安全

3 synchronized的特性------可重入锁

synchronized 同步块对同一条线程来说是可重入的，不会出现自己把自己锁死的问题；

“不可重入锁”：
// 第一次加锁, 加锁成功 
lock(); 
// 第二次加锁, 锁已经被占用, 阻塞等待.  
lock();
一个线程没有释放锁, 然后又尝试再次加锁. 按照之前对于锁的设定, 第二次加锁的时候, 就会阻塞等待. 直到第一次的锁被释放,才能获取到第二个锁.但想要第一把锁解锁，需要执行完synchronized代码块，才可以加下一把锁，然而第二把锁一直在阻塞等待，所以第一把锁既不能解锁，第二把锁也不能加锁，就卡在这里了；
并且，有时候由于多次嵌套，无法直接观察出是否多次加锁：
   public static  Object locker = new Object();
   public  static void increase1(){
     synchronized (locker){
        }
    }
    public static void increase2(){
       increase3();
    }
    public static void increase3(){
        increase4();
    }
    public  static void increase4(){
         //可重入锁的内部, 包含了 "线程持有者" 和 "计数器" 两个信息.
        synchronized (locker){  //synchronized属于可重入锁，防止多次加锁，产生死锁
        }
    }

Java 中的 synchronized 是可重入锁, 因此没有上面的问题.

代码示例:在下面的代码中, increase 和 increase2 两个方法都加了 synchronized, 此处的 synchronized 都是针对 this 当前对象加锁的. 在调用 increase2 的时候, 先加了一次锁, 执行到 increase 的时候, 又加了一次锁. (上个锁还没释放, 相当于连续加两次锁)这个代码是完全没问题的. 因为 synchronized 是可重入锁.

static class Counter {
    public int count = 0;
    synchronized void increase() {
        count++;
   }
    synchronized void increase2() {
        increase();
   }
}

snychronized实现可重入的底层原理：

在可重入锁的内部, 包含了 “线程持有者” 和 “计数器” 两个信息.

如果某个线程加锁的时候, 发现锁已经被人占用, 但是恰好占用的正是自己, 那么仍然可以继续获取到锁, 并让计数器自增.
解锁的时候计数器递减为 0 的时候, 才真正释放锁. (才能被别的线程获取到)

计数器还未归0，程序就抛出异常，会不会死锁？

分析：若程序抛出异常，并且没有catch捕捉，程序就会脱离之前的代码块，一旦脱离这层加锁的代码块，计数器就会- -，脱离多层代码块，计数器减到0，也就解锁了；

总结：加锁时若出现异常，是不会死锁的，也是一个使得synchronized优秀到将他设计成关键字的原因了，若是C++/Python加锁解锁，都是通过对象来实现的，这时就有可能由于出现异常引起代码未执行完，解锁代码未执行引起死锁；