三 共享模型之管程（上）
4.1 共享问题
问题发现
@Slf4j
public class ShareTest01 {
static int count = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
for(int i = 0; i < 5000; i++){
count++;
}
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
for(int i = 0; i < 5000; i++){
count--;
}
},"t2");
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
log.debug("{}",count);
}
}
问题分析：
- 这个程序每次运行结果都不一样，这就是共享问题。
- 对于程序共享的资源进行读写，会发生交错运行。
- 由于i++和i–都不是原子操作在运行过程中会发生上下文切换。
- 这边修改的值还没有同步到主内存中，另一个线程就已经从主存中取出未修改的值进行其他操作，导致出现共享问题。
对于 i++ 而言（i 为静态变量），实际会产生如下的 JVM 字节码指令：
getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 // 准备常量1
iadd // 自增
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i
对于 i- - 而言（i为静态变量）， 实际会产生如下的JVM字节码指令:
getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 // 准备常量1
isub // 自减
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i
而java的内存模型如下，完成静态变量的自增、自减需要在主存和工作内存中进行数据交换。（单线程下不会出现问题）
临界区 Critical Section
- 一个程序多个线程运行本身没有问题
- 问题出现在多个线程访问共享资源
- 多个线程读共享资源没有问题
- 问题在多个线程对共享资源进行读写操作时发生指令交错
- 一段代码块内如果存在对共享资源的多线程读写操作，这段代码块被称为临界区
static int count = 0;
static void increment()
// 临界区
{
count++;
}
static void decrement()
// 临界区
{
count--;
}
竞态条件 Race Condition
多个线程在临界区内执行，由于代码的执行序列不同而导致结果无法预测，称之为发生了竞态条件
4.2 synchronized解决方案
为了避免临界区的竞态条件发生
- 阻塞式：synchronized , Lock （加锁）
- 非阻塞式 ： 原子变量
synchronized 也就是速成的 【对象锁】，它采用互斥的方式让同一 时刻至多只有一个线程能持有【对象锁】，其它线程再想获取这个【对象锁】时就会阻塞住。这样就能保证拥有锁 的线程可以安全的执行临界区内的代码，不用担心线程上下文切换。
synchronized(对象) // 线程1， 线程2(blocked)
{
临界区
}
解决方案
@Slf4j
public class ShareTest02 {
static int count = 0;
// 创建一个对象，想成一个房间，一回里面只能有一个
static final Object room = new Object();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
for(int i = 0; i < 5000; i++){
// 房间大门
synchronized(room){
count++;
}
}
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
for(int i = 0; i < 5000; i++){
// 房间大门
synchronized(room){
count--;
}
}
},"t2");
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
log.debug("{}",count);
}
}
- synchronized 实际上是用对象锁保证了临界区内代码的原子性，临界区内的代码对外是不可分割的，不会被线程切换所打断
使用面向对象的思想，将需要保护的共享变量放入一个类中
@Slf4j
public class ShareTest03 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Room room = new Room();
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5000; i++){
room.increment();
}
},"t1");
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 5000; j++){
room.decrement();
}
},"t2");
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
log.debug("count: {}" , room.getValue());
}
}
class Room {
int value = 0;
public void increment(){
synchronized (this){
value++;
}
}
public void decrement(){
synchronized (this){
value--;
}
}
public int getValue(){
synchronized (this){
return value;
}
}
}
4.3 写在方法上的synchronized
class Test{
public synchronized void test() {
}
}
等价于
class Test{
public void test() {
synchronized(this) {
}
}
}
class Test{
public synchronized static void test() {
}
}
等价于
class Test{
public static void test() {
synchronized(Test.class) {
}
}
}
不加synchronized的方法
不加synchronized的方法在多线程中就会发生混乱，指令交错。
4.4变量的线程安全分析
成员变量和静态变量是否线程安全
- 如果没有共享，则线程安全
- 如果被共享了
- 如果只是读操作，则线程安全
- 如果有读写操作，则这段代码是临界区，需要考虑线程安全
局部变量是否线程安全
- 局部变量是线程安全
- 局部变量引用的对象未必是线程安全
- 如果该对象没有逃离方法的作用访问，线程安全
- 如果该对象逃离方法的作用范围，则需要考虑线程安全
局部变量的例子
@Slf4j
public class ThreadSafe01 {
public static void main(String[] args) {
Thread t1 = new Thread(() -> {
int i = 10;
i++;
log.debug("局部变量i:{}",i);
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
int i = 10;
i++;
log.debug("局部变量i:{}",i);
});
t1.start();
t2.start();
}
}
局部变量 i ，并没有共享，线程是安全的
成员变量的例子
@Slf4j
public class ThreadMemberTest01 {
public static void main(String[] args) {
ThreadUnSafe unSafe = new ThreadUnSafe();
Thread t1 = new Thread(() -> {
unSafe.method1(5000);
log.debug("成员变量：{}",Arrays.asList(unSafe));
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
unSafe.method1(5000);
log.debug("成员变量：{}",Arrays.asList(unSafe));
});
t1.start();
t2.start();
}
}
class ThreadUnSafe {
ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
public void method1(int loopNum){
for (int i = 0; i < loopNum; i++){
// 临界区 产生竞态条件
method2();
method3();
}
}
private void method3() {
list.remove(0);
}
private void method2() {
list.add("1");
}
}
这个多运行几次。
- list成员变量被共享了，一旦多个线程进入就可能发生线程安全问题
- 无论哪个线程中的 method2 引用的都是同一个对象中的 list 成员变量
- method3 与 method2 分析相同
将成员变量修改为局部变量：
@Slf4j
public class ThreadMemberTest02 {
public static void main(String[] args) {
ThreadUnSafe unSafe = new ThreadUnSafe();
Thread t1 = new Thread(() -> {
unSafe.method1(5000);
log.debug("成员变量：{}",Arrays.asList(unSafe));
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
unSafe.method1(5000);
log.debug("成员变量：{}",Arrays.asList(unSafe));
});
t1.start();
t2.start();
}
}
class ThreadSafe {
public final void method1(int loopNum){
ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < loopNum; i++){
// 临界区 产生竞态条件
method2(list);
method3(list);
}
}
private void method3( ArrayList<String> list) {
list.remove(0);
}
private void method2( ArrayList<String> list) {
list.add("1");
}
}
- list是局部变量，每个线程调用会创建其不同的实例，没有共享
- method2的参数是从method1中传来的，与method1中引用同一个对象
- method3和method2一样
修改方法访问修饰符
方法访问修饰符带来的思考，如果把method2和method3的方法修改为public会不会代理线程安全问题?
- 情况1：有其它线程调用method2和method3
- 将method2和method3的权限修饰符改为public，此时仍线程安全。因为，在调用method2和method3是，操作的list并不是在method1内的list。
- 情况2：在情况1的基础上，为ThreadSafe类添加子类，子类覆盖method2或method3方法
class ThreadSafe{
public void method1(int loopNumber) {
ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
method2(list);
method3(list);
}
}
public void method2(ArrayList<String> list) { list.add("1"); }
public void method3(ArrayList<String> list) { list.remove(0); }
}
class ThreadSafeSubClass extends ThreadSafe{
@Override
public void method3(ArrayList<String> list) {
new Thread(() -> {
list.remove(0);
}).start();
}
}
此时会出现线程安全问题，因为method1创建list对象操作list，调用method3时会创建另一个线程操作这个list，多个线程共享list，将出现线程安全问题。
- private修饰的方法不能被重写。
- final防止子类覆盖方法。
常见的线程安全类
String
Integer
StringBuffer
Random
Vector
Hashtable
java.util.concurrent 包下的类
线程安全指的是，多个线程调用他们同一实例的某个方法是线程安全的
- 每个方法都可以保证原子性
- 但注意多个方法组合不是原子
