2.多线程线程安全

什么是线程安全？

为什么有线程安全问题？

当多个线程同时共享，同一个全局变量或静态变量，做写的操作时，可能会发生数据冲突问题，也就是线程安全问题。但是做读操作是不会发生数据冲突问题。

案例:现在有100张火车票，有两个窗口同时抢火车票，请使用多线程模拟抢票。
class ThreadTrain1 implements Runnable {
    private int count = 100;
    private static Object oj = new Object();

    @Override
    public void run() {
        while (count > 0) {
            try {
                Thread.sleep(50);
            } catch (Exception e) {
                // TODO: handle exception
            }
            sale();
        }
    }

    public void sale() {
        // 前提 多线程进行使用、多个线程只能拿到一把锁。
        // 保证只能让一个线程 在执行 缺点效率降低
        // synchronized (oj) {
//      if (count > 0) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售第" + (100 - count + 1) + "票");
        count--;
//      }
        // }
    }
}

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadTrain1 threadTrain1 = new ThreadTrain1();
        Thread t1 = new Thread(threadTrain1, "①号窗口");
        Thread t2 = new Thread(threadTrain1, "②号窗口");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}
运行结果:

一号窗口和二号窗口同时出售火车第一张和第七张,部分火车票会重复出售。
结论发现，多个线程共享同一个全局成员变量时，做写的操作可能会发生数据冲突问题。

线程安全解决办法

问:如何解决多线程之间线程安全问题?
答:使用多线程之间同步synchronized或使用锁(lock)。

问:为什么使用线程同步或使用锁能解决线程安全问题呢？
答:将可能会发生数据冲突问题(线程不安全问题)，只能让当前一个线程进行执行。代码执行完成后释放锁，让后才能让其他线程进行执行。这样的话就可以解决线程不安全问题。

问:什么是多线程之间同步？
答:当多个线程共享同一个资源,不会受到其他线程的干扰。

同步代码块

什么是同步代码块？
答:代码块前加上 synchronized关键字的代码块.

synchronized(同一个数据) {
 可能会发生线程冲突问题
}

//这个对象可以为任意对象 
synchronized(对象) { 
    需要被同步的代码 
}
  • 对象如同锁，持有锁的线程可以在同步中执行
    没持有锁的线程即使获取CPU的执行权，也进不去
  • 同步的前提：
    1，必须要有两个或者两个以上的线程
    2，必须是多个线程使用同一个锁
    必须保证同步中只能有一个线程在运行

好处：解决了多线程的安全问题
弊端：多个线程需要判断锁，较为消耗资源、抢锁的资源。

代码样例:
private static Object oj = new Object();
public void sale() {
    // 前提 多线程进行使用、多个线程只能拿到一把锁。
    // 保证只能让一个线程 在执行 缺点效率降低
    synchronized (oj) {
        if (count > 0) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
                                + ",出售第" + (100 - count + 1) + "票");
            count--;
        }
    }
}

同步函数

什么是同步函数？
答：在方法上修饰synchronized称为同步函数

代码样例:
public synchronized void sale() {
    if (trainCount > 0) {
        try {
            Thread.sleep(40);
        } catch (Exception e) {
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
                                        + ",出售 第" + (100 - trainCount + 1) + "张票.");
        trainCount--;
    }
}

同步函数用的是什么锁？
答：同步函数使用this锁。
证明方式: 一个线程使用同步代码块(this明锁),另一个线程使用同步函数。如果两个线程抢票不能实现同步，那么会出现数据错误。

class ThreadTrain2 implements Runnable {
    private int count = 100;
    public boolean flag = true;
    private static Object oj = new Object();

    @Override
    public void run() {
        if (flag) {
            while (count > 0) {
                synchronized (this) {
                    if (count > 0) {
                        try {
                            Thread.sleep(50);
                        } catch (Exception e) {
                            // TODO: handle exception
                        }
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售第" + (100 - count + 1) + "票");
                        count--;
                    }
                }
            }
        } else {
            while (count > 0) {
                sale();
            }
        }
    }

    public synchronized void sale() {
        // 前提 多线程进行使用、多个线程只能拿到一把锁。
        // 保证只能让一个线程 在执行 缺点效率降低
        // synchronized (oj) {
        if (count > 0) {
            try {
                Thread.sleep(50);
            } catch (Exception e) {
                // TODO: handle exception
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售第" + (100 - count + 1) + "票");
            count--;
        }
        // }
    }
}

public class ThreadDemo2 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ThreadTrain2 threadTrain1 = new ThreadTrain2();
        Thread t1 = new Thread(threadTrain1, "①号窗口");
        Thread t2 = new Thread(threadTrain1, "②号窗口");
        t1.start();
        Thread.sleep(40);
        threadTrain1.flag = false;
        t2.start();
    }
}

静态同步函数

什么是静态同步函数？
答：方法上加上static关键字，使用synchronized 关键字修饰 或者使用类.class文件。
静态的同步函数使用的锁是 该函数所属字节码文件对象
可以用 getClass方法获取，也可以用当前 类名.class 表示。

代码样例:
synchronized(ThreadTrain.class) {
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售 第" + (100 - trainCount + 1) + "张票.");
    trainCount--;
    try {
        Thread.sleep(100);
    } catch (Exception e) {
    }
}
总结：

synchronized 修饰方法使用锁是当前this锁。
synchronized 修饰静态方法使用锁是当前类的字节码文件对象。

多线程死锁

什么是多线程死锁？
答:同步中嵌套同步,导致锁无法释放。

class ThreadTrain6 implements Runnable {
    // 这是货票总票数,多个线程会同时共享资源
    private int trainCount = 100;
    public boolean flag = true;
    private Object mutex = new Object();

    @Override
    public void run() {
        if (flag) {
            while (true) {
                synchronized (mutex) {
                    // 锁(同步代码块)在什么时候释放？ 代码执行完， 自动释放锁.
                    // 如果flag为true 先拿到 obj锁,在拿到this 锁、 才能执行。
                    // 如果flag为false先拿到this,在拿到obj锁，才能执行。
                    // 死锁解决办法:不要在同步中嵌套同步。
                    sale();
                }
            }
        } else {
            while (true) {
                sale();
            }
        }
    }
    
    public synchronized void sale() {
        synchronized (mutex) {
            if (trainCount > 0) {
                try {
                    Thread.sleep(40);
                } catch (Exception e) {

                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
                                        + ",出售 第" + (100 - trainCount + 1) + "张票.");
                trainCount--;
            }
        }
    }
}

public class DeadlockThread {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        ThreadTrain6 threadTrain = new ThreadTrain6(); // 定义 一个实例
        Thread thread1 = new Thread(threadTrain, "一号窗口");
        Thread thread2 = new Thread(threadTrain, "二号窗口");
        thread1.start();
        Thread.sleep(40);
        threadTrain.flag = false;
        thread2.start();
    }
}

多线程有三大特性

原子性、可见性、有序性

什么是原子性

即一个操作或者多个操作要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。

  • 一个很经典的例子就是银行账户转账问题： 比如从账户A向账户B转1000元，那么必然包括2个操作：从账户A减去1000元，往账户B加上1000元。这2个操作必须要具备原子性才能保证不出现一些意外的问题。

  • 我们操作数据也是如此，比如i = i+1；其中就包括，读取i的值，计算i，写入i。这行代码Java中是不具备原子性的，则多线程运行肯定会出问题，所以也需要我们使用同步和lock这些东西来确保这个特性了。

  • 原子性其实就是保证数据一致、线程安全一部分

什么是可见性

  • 当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。

  • 若两个线程在不同的cpu，那么线程1改变了i的值还没刷新到主存，线程2又使用了i，那么这个i值肯定还是之前的，线程1对变量的修改线程没看到这就是可见性问题。

什么是有序性

  • 程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

  • 一般来说处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。如下：

int a = 10; //语句1
int r = 2; //语句2
a = a + 3; //语句3
r = a*a; //语句4
  • 因为重排序，他还可能执行顺序为 2-1-3-4，1-3-2-4 但绝不可能 2-1-4-3，因为这打破了依赖关系。 显然重排序对单线程运行是不会有任何问题，而多线程就不一定了，所以我们在多线程编程时就得考虑这个问题了。

Java内存模型

共享内存模型指的就是Java内存模型(简称JMM)，JMM决定一个线程对共享变量的写入时,能对另一个线程可见。从抽象的角度来看，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：线程之间的共享变量存储在主内存（main memory）中，每个线程都有一个私有的本地内存（local memory），本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。本地内存是JMM的一个抽象概念，并不真实存在。它涵盖了缓存，写缓冲区，寄存器以及其他的硬件和编译器优化。

从上图来看，线程A与线程B之间如要通信的话，必须要经历下面2个步骤：

  1. 首先，线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。
  2. 然后，线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。
下面通过示意图来说明这两个步骤：
  • 如上图所示，本地内存A和B有主内存中共享变量x的副本。假设初始时，这三个内存中的x值都为0。线程A在执行时，把更新后的x值（假设值为1）临时存放在自己的本地内存A中。当线程A和线程B需要通信时，线程A首先会把自己本地内存中修改后的x值刷新到主内存中，此时主内存中的x值变为了1。随后，线程B到主内存中去读取线程A更新后的x值，此时线程B的本地内存的x值也变为了1。
  • 从整体来看，这两个步骤实质上是线程A在向线程B发送消息，而且这个通信过程必须要经过主内存。JMM通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互，来为java程序员提供内存可见性保证。

总结：什么是Java内存模型：java内存模型简称jmm，定义了一个线程对另一个线程可见。共享变量存放在主内存中，每个线程都有自己的本地内存，当多个线程同时访问一个数据的时候，可能本地内存没有及时刷新到主内存，所以就会发生线程安全问题。

Volatile

什么是Volatile?

Volatile 关键字的作用是变量在多个线程之间可见。

class ThreadVolatileDemo extends Thread {
    public boolean flag = true;

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("开始执行子线程....");
        while (flag) {
        }
        System.out.println("线程停止");
    }

    public void setRuning(boolean flag) {
        this.flag = flag;
    }
}

public class ThreadVolatile {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ThreadVolatileDemo threadVolatileDemo = new ThreadVolatileDemo();
        threadVolatileDemo.start();
        Thread.sleep(3000);
        threadVolatileDemo.setRuning(false);
        System.out.println("flag 已经设置成false");
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(threadVolatileDemo.flag);
    }
}
  • 已经将结果设置为fasle为什么？还一直在运行呢。

原因:线程之间是不可见的，读取的是副本，没有及时读取到主内存结果。
解决办法使用Volatile关键字将解决线程之间可见性, 强制线程每次读取该值的时候都去“主内存”中取值

Volatile非原子性

注意: Volatile非原子性
public class VolatileNoAtomic extends Thread {
    private static volatile int count;

    // private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    private static void addCount() {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            count++;
            // count.incrementAndGet();
        }
        System.out.println(count);
    }

    public void run() {
        addCount();
    }

    public static void main(String[] args) {

        VolatileNoAtomic[] arr = new VolatileNoAtomic[100];
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            arr[i] = new VolatileNoAtomic();
        }

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            arr[i].start();
        }
    }
}

结果发现：数据不同步，因为Volatile不用具备原子性。

使用AtomicInteger原子类

AtomicInteger是一个提供原子操作的Integer类，通过线程安全的方式操作加减。

public class VolatileNoAtomic extends Thread {
    static int count = 0;
    private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            //等同于i++
            atomicInteger.incrementAndGet();
        }
        System.out.println(count);
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 初始化10个线程
        VolatileNoAtomic[] volatileNoAtomic = new VolatileNoAtomic[10];
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            // 创建
            volatileNoAtomic[i] = new VolatileNoAtomic();
        }
        for (int i = 0; i < volatileNoAtomic.length; i++) {
            volatileNoAtomic[i].start();
        }
    }
}

volatile与synchronized区别

仅靠volatile不能保证线程的安全性。（原子性）

  • ①volatile轻量级，只能修饰变量。synchronized重量级，还可修饰方法
    ②volatile只能保证数据的可见性，不能用来同步，因为多个线程并发访问volatile修饰的变量不会阻塞。
  • synchronized不仅保证可见性，而且还保证原子性，因为，只有获得了锁的线程才能进入临界区，从而保证临界区中的所有语句都全部执行。多个线程争抢synchronized锁对象时，会出现阻塞。

线程安全性

  • 线程安全性包括两个方面，①可见性。②原子性。
  • 从上面自增的例子中可以看出：仅仅使用volatile并不能保证线程安全性。而synchronized则可实现线程的安全性。

ThreadLocal

什么是ThreadLocal

ThreadLocal提高一个线程的局部变量，访问某个线程拥有自己局部变量。
当使用ThreadLocal维护变量时，ThreadLocal为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本，所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会影响其它线程所对应的副本。

ThreadLocal的接口方法

ThreadLocal类接口很简单，只有4个方法，我们先来了解一下：

  • void set(Object value)设置当前线程的线程局部变量的值。
  • public Object get()该方法返回当前线程所对应的线程局部变量。
  • public void remove()将当前线程局部变量的值删除，目的是为了减少内存的占用，该方法是JDK 5.0新增的方法。需要指出的是，当线程结束后，对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收，所以显式调用该方法清除线程的局部变量并不是必须的操作，但它可以加快内存回收的速度。
  • protected Object initialValue()返回该线程局部变量的初始值，该方法是一个protected的方法，显然是为了让子类覆盖而设计的。这个方法是一个延迟调用方法，在线程第1次调用get()或set(Object)时才执行，并且仅执行1次。ThreadLocal中的缺省实现直接返回一个null。
案例:创建三个线程，每个线程生成自己独立序列号。
class Res {
    // 生成序列号共享变量
    public static Integer count = 0;
    public static ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<Integer>() {
        protected Integer initialValue() {

            return 0;
        };

    };

    public Integer getNum() {
        int count = threadLocal.get() + 1;
        threadLocal.set(count);
        return count;
    }
}

public class ThreadLocaDemo2 extends Thread {
    private Res res;

    public ThreadLocaDemo2(Res res) {
        this.res = res;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---" + "i---" + i + "--num:" + res.getNum());
        }

    }

    public static void main(String[] args) {
        Res res = new Res();
        ThreadLocaDemo2 threadLocaDemo1 = new ThreadLocaDemo2(res);
        ThreadLocaDemo2 threadLocaDemo2 = new ThreadLocaDemo2(res);
        ThreadLocaDemo2 threadLocaDemo3 = new ThreadLocaDemo2(res);
        threadLocaDemo1.start();
        threadLocaDemo2.start();
        threadLocaDemo3.start();
    }
}

ThreadLocal实现原理

ThreadLocal通过map集合
Map.put(“当前线程”,值)；

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