《JavaEE篇》--多线程(2)

《JavaEE篇》--多线程(1)

线程安全

线程不安全

我们先来观察一个线程不安全的案例：

public class Demo {
    private static int count = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            //让count自增5W次
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                    count++;
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            //让count自增5W次
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                    count++;
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        //如果没有join，线程还没执行完，就会打印count
        t1.join();
        t2.join();
        //预期结果应该是十万次
        System.out.println("count: " + count);
    }
}

两个线程同时对一个变量进行修改，按理来说最后的输出结果应该是十万，现在我们运行一下

可以以看到似乎并不像我们预期的那样，每个结果都不一样，而且有些结果和我们预期的相差很大。

上述代码如果放在单线程里肯定是对的，但是如果放在多线程里就会出现逻辑错误了

先要知道怎么回事我们要先了解一下count++这个操作。

Count++这个操作实际上，是分成三步进行的，站在cpu的角度上，count++是由cpu通过三条指令来实现的

load 把数据从内存读到cpu寄存器上
add 把寄存器中的数据+1
save 把寄存器中的数据，保存到内存中

由于线程之间的调度顺序是随机的，就会导致在有些调度顺序下，就会出现上述逻辑错误，接下来我通过画图的方式详细讲解。

上述两种执行顺序是正常的执行顺序(t1线程执行完整个count++动作，之后t2线程再执行，或者t2先执行)，但是由于线程的随机调度，可能当t1执行load和add的操作之后，这时t2插了进来完成自己的操作。就像这样

那么此时会产生什么结果呢？

可以看见此时编译器执行了两次count++操作但是实际的count只被加了一次，这还只是一种顺序，实际编译时两个操作执行count++又会有多少种呢？如果t1执行一次，t2执行两次，三次呢又会有多种？必然是我们无法知晓的。

结合上述讨论，就意识到了，在多线程中最困难的一点就是：线程的随机调度，使两个线程执行逻辑的先后顺序存在诸多可能，我们要保证在所有可能的情况下，代码都是正确的。

综上对于线程安全我们可以粗略的认为：如果多线程环境下代码运行的结果是符合我们预期的，即在单线程环境应该的结果，则说这个程序是线程安全的。

线程不安全的原因

线程安全产生的原因主要有以下五点

操作系统中，线程的调度是随机的(抢占式执行)//主要原因
两个或多个线程对同一个变量进行修改
修改操作不是原子性的(比如count++就是非原子操作，需要多条指令才能完成操作)
内存可见性问题(之后讲到)
指令重排序(之后讲到)

原子性：原子性不一定只是一条java语句或者只是一条cpu指令，如果一个操作在执行的时候不会有其他操作干扰或插入，就可以说这个操作是具有原子性的，比如如果把刚刚的count++加上一把锁让编译器，必须执行完一个count++后才能执行下一个count++，这样不管t1，t2线程的执行顺序如何，都不会影响最后结果。

保证原子性这一点也和线程的抢占式调度密切相关，如果线程不是抢占式(随机)的，就算没有原子性也没有什么关系

那么我们如何保证线程是安全的？我们先暂时针对前三个问题进行解决，先看第一个，这是操作系统的特性我们不好对其进行修改，那么再看后两个，如果我们保证操作是原子性的，这样不管对变量怎么修改，就都不会出错了。那么怎么保证原子性呢？最好的方法就是加锁

加锁

我们先来解决刚刚的代码

 private static int count = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object locker = new Object();
        Object locker2 = new Object();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            //让count自增5W次
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                synchronized (locker){
                //当同时对一个对象加锁时，必须要等前一个代码块执行完，后一个代码块才能执行，就可以解决问题了
                    count++;
                }
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            //让count自增5W次
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                synchronized (locker){
                    count++;
                }
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        //如果没有join，线程还没执行完，就会打印count
        t1.join();
        t2.join();
        //预期结果应该是十万次
        System.out.println("count: " + count);
    }

运行结果：

可以看见现在的结果正是我们预期的

synchronized

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，换言之，当两个synchronized同时对一个对象加锁(什么样对象一般无所谓只要是相同的就行)，必须要等前一个synchronized代码块执行完，后一个代码块才能执行。

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

举个例子🌰：

如果A对B表白，并且B同意了此时就相当于A对对象B进行了加锁，此时C就不能再追求B了，只能等A和B分手后(解锁)，B又回归单身后，此时C就可以光明正大的追求B了。

//synchronized用的锁是存在Java对象头里的，加锁就相当于对对象头进行了修改

可以粗略的理解成对象再内存中储存的时候，都有一块内存表示对象是否被锁，如果被锁则其他线程不能再次加锁，如果没被锁则可以加锁。

其他写法

这两种方法等价

 //这两种方法等价
    synchronized public void add1(){
        this.count++;
    }
    public void add2(){
        synchronized (this){
            count++;
        }
    }

//这两种方法等价
    synchronized public static void add3(){

    }
    public static void add4(){
        synchronized (Count.class){

        }
    }

这两种方法也等价，上面的写法相当于下面的简化写法

Count.class叫做类对象，类对象在java进程中是唯一的，一般包含以下内容

类的属性有哪些，都是啥名字，类型，权限
类的方法有哪些，都是啥名字，类型，权限
类本身继承自哪个类，实现了什么接口

可重入

不可重入锁：只判断这个锁有没有被锁上，如果没被锁上就可以对其加锁，如果被锁上就要等待它解锁之后才可以加锁
可重入锁：不仅会判断这个锁有没有被锁上，还会判断这个锁是被谁锁上的，如果是被当前线程锁上的则可以连续加锁，并且不出现死锁

简单来说一个线程，连续针对一个一把锁，加锁两次，不会出现死锁，满足这个要求，就是可重入

不可重入锁

当一个代码块被锁上，此时如果在代码块内部再加上一把锁就会出现死锁，如下

如果synchronized是不可重复锁，针对上述代码，在第一次加锁时可以成功，此时locker已近是被加锁的状态了，当进行第二次加锁时，因为locker已经被加锁了所以第二把锁就会阻塞等待，要等到第一把锁解锁之后才能加成功。但是实际上，一旦第二把锁阻塞等待了，就会出现死锁，因为第一把锁要想解锁就要执行到(1)的位置，要想执行到(1)的位置就要让第二把锁成功加锁，由于第二次加锁导致代码阻塞了，就没办法执行到(1)的位置了也就没办法释放锁了。

//死锁的发生不一定是在一个方法，也可能会发生在方法调用之间

可重入锁

可重入锁是一种支持可重入机制的锁，当对一把锁连续加锁两次第二把锁不会出现阻塞(换言之，外层使用锁之后，内层任然可以使用)，允许一个线程反复获得该锁，避免了死锁的发生，同时也提高了代码的简洁性的可读性，我们刚刚讲到的synchronized就是可重入锁

我们在对这个案例进行分析，因为synchronized是可重入锁，所以没有因为第二次加锁而死锁，但是当代码执行到(2)时，此时，锁(1)应不应该打开？又或者说，这里有N把锁，那么释放的时机应该如何？

为了解决这个问题，可重入锁设计了加锁次数，每加一次锁就加1，释放一次锁就减1，当计数为0时才真正释放锁，以此来保证所有的加锁过程都解锁了，其他线程才能访问。

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)

关于死锁

1.一个线程针对一把锁，连续加锁两次，如果是不可重入锁，就会发生死锁

2.两个线程，两把锁，t1线程先获取锁A在获取锁B，t2线程先获取锁B在获取锁A(此时无论是不是可重入锁都会死锁)，就相当于一个人把车钥匙锁在家里，把家里钥匙锁在车里

3.N个线程M把锁

关于N个线程M把锁有一个经典的模型--哲学家就餐问题

哲学家就餐问题

规则是这样的：

每个哲学家会做两件事1.思考人生，放下筷子啥也不干 2.吃面条，拿起左右两侧的筷子，开始吃面条
哲学家什么时候吃面条，什么时候思考人生是随机的
哲学家什么时候吃完面条，什么时候思考完人生也是随机的
哲学家正在吃面条时会拿起左右两则的筷子，如果相邻的哲学家也想吃面条就需要阻塞等待

基于上述规则通常情况下，是可以正常运行的，但是当处在极端情况下时，比如五位哲学家同时想吃面，又同时拿起左边的筷子，这时就会出现死锁的情况(这里哲学家就相当于一个线程，筷子就相当于是锁，拿起一个筷子相当于解开了一把锁)。

处理方法：

对哲学家进行限制，当哲学家确认左右两边的筷子都可以用时才会拿起筷子吃面(确认之后其他人不会再拿起)，使拿起筷子这个操作成为一个原子性的，就可以避免死锁发生。
找到一位右撇子的哲学家(先拿起右边的筷子，其他人都是左撇子)，目的是让这个哲学家拿筷子的顺序和其它人不一样，当其他哲学家都拿起左边的筷子时，此时这个哲学家右边就没有筷子了，就处于阻塞等待，此时就会有一个哲学家成功拿到两双筷子。
限制吃饭的人数，方法很简单，就是在一个时间点最多只能有4个哲学家进餐，这样4个让分5双筷子，一定能有人吃的到，就不会发生死锁。
规定一个哲学家只有在两个相邻的哲学家都不吃面的情况下，才可以吃面，这样就彻底解决了死锁问题，和第一种方法有点类似。

Volatile

内存可见性

线程之间的共享变量存在主内存(实际物理内存)中，而且每一个线程还有自己的工作内存(寄存器/cpu高速缓存)，当线程要读取一个共享变量时，会把变量从主内存拷到工作内存中，再从工作内存读取数据，当线程要修改一个共享变量时，也会先修改工作内存中的副本，在同步到主内存中。这样可能就会导致线程1修改了共享变量a，但是主内存和线程2中数据更改不及时。

内存可见性会带来的问题

我们先来看段代码

正常来将当我们输入1时t1线程就结束了

但是实际上无论我们如何输入1，t1都没有结束，这是怎么回事？

计算机运行的程序，经常要访问数据，这些数据往往会存储在内存中(比如，定义一个变量，变量就会存储在内存中)，当cpu使用这个变量的时候，就会把这个变量，先从内存中读出来，再放到cpu的寄存器中，最后在参与运算。cpu读取内存的操作是比较缓慢的，相对而言读寄存器就快的多了。

为了及解决上述问题，提高效率，此时编译器就可能对代码作出一些优化，把一些本来要读内存的操作，转化为读寄存器，减少读内存的次数，也就提高了程序的效率了

当编译器在处理isQuit == 0时会涉及到俩条指令1.load读取内存中的isQuit的值到寄存器中，2.通过cmp指令比较寄存器里的值是不是0，然后决定要不要循环。

由于循环执行的速度非常快，短时间内就会完成大量load和cmp操作。这时编译器/JVM就会发现，虽然进行了这么多次load，但是每次load的结果都一样，并且load操作非常消耗时间，比cmp操作消耗的时间多得多，于是编译器就做了一个大胆的就决定，只在第一次循环操作的时候，才读内存，后续都不在读内存了，而是直接从寄存器中取出isQuit的值，这个就是编译器的优化。

编译器是希望代码能够更高效，才在保证代码逻辑不变的情况下，对代码进行优化，但是，此时我们是由另外一个线程对isQuiti进行了修改，编译器没有做出正确的判断，以为没人修改，最终导致了bug，这个问题就是内存可见性问题。

这时我们可以利用Volatile来解决这个问题

在多线程的环境下，编译器有时会做出一些不准确的优化，此时就需要我们程序猿自己手动来矫正。我们可以通过Volatile关键字，来告诉编译器不要进行优化。我们直接在刚刚的代码上操作，直接在isQuit前加上Volatile就行。

运行结果

可以看到这时程序成功执行

wait和notify

wait()：让当前线程等待阻塞

wait的工作过程是，释放当前的锁，使当前的线程进行等待，满足唤醒条件后，重新尝试获得这把锁(wait必须搭配synchronized使用，换言之当前线程必须得到锁，否则直接使用的化会抛出异常)

wait可以传参，表示最多等待的时间(ms)

notify()：唤醒wait等待的线程

notify工作过程是，唤醒wait，然后解锁

方法notify()也要在同步方法或同步块中调用，该方法是用来通知那些可能等待该对象的对象锁的其它线程，对其发出通知notify，并使它们重新获取该对象的对象锁。
如果有多个线程等待，则有线程调度器随机挑选出一个呈 wait 状态的线程。(并没有 "先来后到")
在notify()方法后，当前线程不会马上释放该对象锁，要等到执行notify()方法的线程将程序执行完，也就是退出同步代码块之后才会释放对象锁。
和wait一样必须搭配synchronized使用

notifyAll()：可以一次唤醒所有的等待线程.

使用：

 public static void main(String[] args) {
        Object locker = new Object();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            System.out.println("wait 之前");
            synchronized (locker){
                try {
                    locker.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
            System.out.println("wait之后");
        });
       Thread t2 = new Thread(() -> {
           try {
               Thread.sleep(3000);
           } catch (InterruptedException e) {
               throw new RuntimeException(e);
           }
           synchronized (locker){
               System.out.println("进行通知");
               locker.notify();
           }
       });
        t1.start();
        t2.start();
    }

wait和sleep的区别

不同点：

wait 需要搭配 synchronized 使用. sleep 不需要.
wait 是 Object 的方法 sleep 是 Thread 的静态方法.
wait是为了让线程稍作等待，避免线程盲目争夺资源，sleep这时单纯让线程休眠一段是时间
wait是用于线程之间的通信，sleep只是用于让线程阻塞一段时间
线程在wait时会释放锁，在sleep时不会
wait线程处于WAITING状态，sleep时线程处于TIMED_WAITING状态
wait被notify提前唤醒不会报出异常，sleep被提前唤醒会报异常