线程安全
Java 内存模型
多线程风险
在 Java 程序中，存储数据的内存空间分为共享内存和本地内存。线程在读写主存的共享变量时，会先将该变量拷贝一份副本到自己的本地内存，然后在自己的本地内存中对该变量进行操作，完成操作之后再将结果同步至主内存。
public class ThreadDemo { public static void main(String[] args) { MyThread t = new MyThread(); Thread t1 = new Thread(t); Thread t2 = new Thread(t); t1.start(); t2.start(); }}
class MyThread implements Runnable { private int x = 0; // 对象中的数据由线程共享 @Override public void run() { for (int i = 0; i < 10000; i++) { x++; } System.out.println("final x: " + x); // 最后输出的数据不一定为 20000 }}Copy to clipboardErrorCopied
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行为规范
JMM 定义了共享内存系统中多线程程序读写操作行为的规范，用来保证共享内存的原子性、可见性、有序性。
原子性
原子性是指一个操作，要么全部执行并且执行过程不会被打断，要么就都不执行。
Java 语言本身只保证了基本类型变量的读取和赋值是原子性操作。
简单操作的原子性可以通过 Atomic 原子类实现。
通过 synchronized 和 ReenTrantLock 等锁结构可以保证更大范围的原子性。
可见性
可见性是指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。
有序性
有序性是指程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。
Java 内存模型具备先天的有序性。但 Java 允许编译器和处理器对指令进行重排序，可能影响多线程并发执行时的有序性。
通过 synchronized 和 ReenTrantLock 等锁结构可以保证有序性。
volatile 关键字可以禁止 JVM 的指令重排，也可以保证有序性。
线程锁
互斥锁和自旋锁
阻塞锁。当线程需要获取的锁已经被其他线程占用时，该线程会被直接挂起。直到其他线程释放锁，由操作系统激活线程。
适用于锁使用者保持锁时间比较长的情况，线程挂起后不再消耗 CPU 资源。
非阻塞锁。当线程需要获取的锁已经被其他线程占用时，该线程会不断地消耗 CPU 的时间去试图获取锁。
适用于锁使用者保持锁时间比较短的情况，没有用户态和内核态调度、上下文切换的开销和损耗。
悲观锁和乐观锁
每次读写资源时都会给资源上锁，其他线程想获取该资源时会被阻塞，直到其释放锁。
适用于写频繁的应用场景，写资源请求不会被一直驳回。synchronized 和 ReentrantLock 等独占锁都是悲观锁。
读资源时不会给资源上锁，多个线程可以同时读取资源。写资源时会比对数据检查其他线程有没有更新过该资源，如果未更新就写入资源并更新版本号，否则写资源请求被驳回，重新读取并写资源。
适用于读频繁的应用场景，多线程同时读取能有效提高吞吐量。CAS 算法和版本号机制都是乐观锁，悲观锁的抢占也会利用 CAS 算法。
公平锁和非公平锁
加入到队列中等待唤醒，先到者先拿到锁。
公平锁不会出现线程饥饿，迟迟无法获取锁的情况。ReentrantLock 可以实现公平锁。
当线程要获取锁时通过两次 CAS 操作去抢锁，如果没抢到加入到队列中等待唤醒。
非公平锁的性能更好。synchronized 是非公平锁，ReentrantLock 默认情况下也是非公平锁。
可重入锁
允许一个线程对同一对象多次上锁。由 JVM 记录对象被线程加锁次数，只有当线程释放掉所有锁（加锁次数为 0）时，其他线程才获准进入。
synchronized 和 ReentrantLock 等锁结构都是可重入锁。
底层实现
volatile 关键字
修饰成员变量，每次被线程访问时，强迫从主存中读写该成员变量的值。
volatile 关键字只能保证可见性，不能保证原子性。多个线程同时操作主内存里的同一个变量时，变量数据仍有可能会遭到破坏。
public class ThreadDemo { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { MyThread t = new MyThread(); t.start(); try { Thread.sleep(1000); } catch(InterruptedException e) {} t.setRun(false); }}
class MyThread extends Thread { // 添加 volatile 关键字，强制同步主存数据。 // 删除 volatile 关键字，子线程将始终读取本地内存中 true 副本：陷入死循环。 private volatile boolean run = true; public void setRun(boolean run) { this.run = run; } @Override public void run() { while (this.run == true) { int a = 2; int b = 3; int c = a + b; // System.out.print("CPU rest"); 打印输出时 CPU 获得空闲，自动同步主存数据。 } System.out.print("end"); return; }}Copy to clipboardErrorCopied
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synchronized 关键字
修饰方法或代码块。被线程访问时由线程抢占锁，直到执行完毕后自动释放锁。其他线程没有获得锁将无法访问上锁内容。保证了指定内容在同一时刻只有一个线程能访问。
修饰 static 方法实质是给当前类上锁：这个类的所有 synchronized static 方法共享一个锁。
修饰实例方法实质是给对象上锁：这个对象内所有的 synchronized 实例方法共享一个锁。
每一个对象都有且仅有一个与之对应的 monitor 对象。synchronized 关键字修饰方法时会对方法添加标志位，当线程执行到某个方法时，JVM 会去检查该方法的访问标志是否被设置，如果设置了线程会先获取这个对象所对应的 monitor 对象，再执行方法体，方法执行完后释放 monitor 。
同步代码块则是在同步代码块前插入 monitorenter ，在同步代码块结束后插入 monitorexit 。
public class ThreadDemo { public static void main(String[] args) { ThreadDemo test = new ThreadDemo(); new Thread(test::m1).start(); new Thread(test::m2).start(); }
public synchronized void m1() { System.out.println("1"); try { Thread.sleep(1000); } catch(InterruptedException e) {} System.out.println("2"); }
public synchronized void m2() { System.out.println("3"); try { Thread.sleep(500); } catch(InterruptedException e) {} System.out.println("4"); }}Copy to clipboardErrorCopied
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同步对象
创建两个不同的对象就拥有两把不同的锁，不同对象的 synchronized 实例方法互不影响。
public class ThreadDemo { public static void main(String[] args) { ThreadDemo test1 = new ThreadDemo(); ThreadDemo test2 = new ThreadDemo(); new Thread(test1::m1).start(); new Thread(test2::m2).start(); }
public synchronized void m1() { System.out.println("1"); try { Thread.sleep(1500); } catch(InterruptedException e) {} System.out.println("4"); }
public synchronized void m2() { try { Thread.sleep(500); } catch(InterruptedException e) {} System.out.println("2"); try { Thread.sleep(500); } catch(InterruptedException e) {} System.out.println("3"); }}Copy to clipboardErrorCopied
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同步方法
其他线程无法获取该对象锁，就不能访问该对象的所有 synchronized 实例方法，但仍可以访问其他方法。 synchronized 实例方法中调取的数据仍可能被其他方法修改。
在实际开发过程中，我们常常对写操作加锁，但对读操作不加锁，提升系统的并发性能。但可能会导致脏读问题。
public class ThreadDemo { public static void main(String[] args) { ThreadDemo test = new ThreadDemo(); new Thread(test::m1).start(); new Thread(test::m2).start(); }
boolean data = false;
public synchronized void m1() { System.out.println(data); // false try { Thread.sleep(1000); } catch(InterruptedException e) {} System.out.println(data); // true }
public void m2() throws { try { Thread.sleep(500); } catch(InterruptedException e) {} this.data = true; }}Copy to clipboardErrorCopied
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同步代码块
如果我们需要同步的代码只有一小部分，就没有必要对整个方法进行同步操作，我们只需要同步的代码块进行包裹。
修饰代码块，需要指定被上锁的对象或者类。每次线程进入 synchronized 代码块时就会要求当前线程持有该对象锁，如果当前有其他线程正持有该对象锁，那么新到的线程就必须等待，这样也就保证了每次只有一个线程执行操作。我们通常使用 this 对象或者当前类的 class 对象作为锁。
不要以字符串对象作为锁的对象。字符串常量在常量池里被锁定，可能会导致意想不到的阻塞。
public class ThreadDemo { public static void main(String[] args) { ThreadDemo test = new ThreadDemo(); new Thread(test::m1).start(); new Thread(test::m2).start(); }
public void m1() { synchronized(this) { System.out.println("1"); try { Thread.sleep(1000); } catch(InterruptedException e) {} System.out.println("2"); } }
public synchronized void m2() { synchronized(this) { System.out.println("3"); try { Thread.sleep(500); } catch(InterruptedException e) {} System.out.println("4"); } }}Copy to clipboardErrorCopied
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线程执行代码出现异常时也会自动释放所有锁，因此在 synchronized 内部处理异常一定要非常小心。如果不想释放锁，使用 try-catch 语句捕获异常。
两者的区别
volatile 关键字用于修饰变量，synchronized 关键字用于修饰方法以及代码块。
volatile 关键字是数据同步的轻量级实现，性能比 synchronized 关键字更好。
volatile 关键字被多线程访问不会发生阻塞，synchronized 关键字可能发生阻塞。
volatile 关键字能保证数据的可见性，但不能保证数据的原子性。synchronized 关键字两者都能保证。
// 双重锁结构实现单例模式
public class Singleton { private volatile static Singleton singleton; private Singleton (){} public static Singleton getSingleton() { if (singleton == null) { synchronized (Singleton.class) { if (singleton == null) { singleton = new Singleton(); } } } return singleton; } }Copy to clipboardErrorCopied
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ReentrantLock 锁
实现 Lock 接口，使用时需导入 import java.util.concurrent.locks.*;。
实现功能和 synchronized 关键字类似。但 synchronized 关键字是在 JVM 层面实现的，而 ReenTrantLock 是在 JDK 层面实现的。需要手动调用 lock 和 unlock 方法配合 try/finally 语句块来完成。
public class ReentrantLockTest { // 创建锁对象 static Lock lock = new ReentrantLock();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { for(int i = 0; i < 5; i++){ new Thread(new MyThread()).start(); } }
static class MyThread implements Runnable { @Override public void run() { try { // 加锁，通常在 try 语句里完成 lock.lock(); Thread.sleep(500); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "excute"); } catch (InterruptedException e) {} finally{ // 解锁，必须在 finally 语句里完成 lock.unlock(); } } } }}Copy to clipboardErrorCopied
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ReenTrantLock 比 synchronized 增加了一些高级功能，主要有以下三点：
实现等待中断
调用 lockInterruptibly 方法上锁，线程中断标志置为 true 时会抛出 InterruptedException 异常并释放锁。防止线程因为无法获得锁而一直等待，常用来从外部破坏线程死锁。
public class ThreadDemo { // 创建锁对象 static Lock lock = new ReentrantLock();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Thread t1 = new Thread(new MyThread(),"thread1"); Thread t2 = new Thread(new MyThread(),"thread2"); t1.start(); t2.start(); Thread.sleep(500); // 提前中断线程 t2.interrupt(); }
static class MyThread implements Runnable { @Override public void run() { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "begin"); try { // 加可中断锁 lock.lockInterruptibly(); Thread.sleep(2000); } catch (InterruptedException e) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "out"); } finally{ try{ lock.unlock(); } catch(IllegalMonitorStateException e) {} System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "end"); } } }}Copy to clipboardErrorCopied
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调用 tryLock 方法上锁，可以从线程内部破坏死锁，可以更好地解决死锁问题。
public class ThreadDemo { // 创建锁对象 static Lock lock = new ReentrantLock();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Thread t1 = new Thread(new MyThread(),"thread1"); Thread t2 = new Thread(new MyThread(),"thread2"); t1.start(); t2.start(); }
static class MyThread implements Runnable { @Override public void run() { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "begin"); try { // 加锁失败直接退出 if(!lock.tryLock()) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "out"); return; } Thread.sleep(2000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally{ try{ lock.unlock(); } catch(IllegalMonitorStateException e) {} System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "end"); } } }}Copy to clipboardErrorCopied
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实现公平锁
允许先等待的线程先获取锁，防止线程因无法获得锁而一直等待。但由于性能优势，默认情况下仍使用非公平锁。在构造锁对象时添加参数 true 即可实现。
import java.util.concurrent.locks.*;
public class ReentrantLockTest { // 创建锁对象，且声明为公平锁 static Lock lock = new ReentrantLock(true);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { for(int i = 0; i < 5; i++){ new Thread(new MyThread()).start(); } }
static class MyThread implements Runnable { @Override public void run() { lock.lock(); try { Thread.sleep(500); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "excute"); } catch (InterruptedException e) {} lock.unlock(); } } }}Copy to clipboardErrorCopied
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选择性通知
ReentrantLock 对象可以创建一个或多个 Condition 对象，实现线程间的等待通知机制。比 synchronized 关键字 使用 wait/notify 方法更为简便和易用。
线程获得 Lock 锁之后便可调用 Condition 接口的 await 方法释放锁并等待,直到有其他线程调用 Condition 的 signal 方法唤醒线程。通过设置多个 condition 对象，多个线程等待不同的 condition 对象，可以实现选择性地叫醒线程。
public class ThreadDemo {
static ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); static Condition condition = lock.newCondition();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { lock.lock(); new Thread(new MyThread()).start(); System.out.println("主线程等待通知"); try { condition.await(); } finally { lock.unlock(); } System.out.println("主线程恢复运行"); }
static class MyThread implements Runnable { @Override public void run() { lock.lock(); try { condition.signal(); System.out.println("子线程通知"); } finally { lock.unlock(); } } }}Copy to clipboardErrorCopied
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Atomic 原子类
原子对象的单个方法具有原子性，通过 CAS 算法和自旋操作实现，并发效率高。使用时需导入 import java.util.concurrent.atomic.*。
public class ThreadDemo {
public static void main(String[] args) { MyThread t = new MyThread(); Thread t1 = new Thread(t); Thread t2 = new Thread(t); t1.start(); t2.start(); }}
class MyThread implements Runnable { AtomicInteger count = new AtomicInteger(0); // 定义整型地原子类 @Override public void run() { for (int i = 0; i < 10000; i++) { count.incrementAndGet(); // 原子性自增操作 } System.out.println("final x: " + count); // 最后输出的数据为 20000 }}Copy to clipboardErrorCopied
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ThreadLocal 线程本地对象
ThreadLocal 类会对每一个线程创建一个副本，用来保存其私有的数据，其他线程无法访问。简单方便且并发性好，在开发框架中被大量使用，比如 session 管理。
ThreadLocal 方法
ThreadLocal threadLocal = new ThreadLocal(); // 构造 ThreadLocalThreadLocal<T> threadLocal = new ThreadLocal<>(); // 支持泛型
threadLocal.get(); // 获取当前线程中保存的变量副本threadLocal.set(10); // 设置当前线程中变量的副本threadLocal.remove(); // 移除当前线程中变量的副本Copy to clipboardErrorCopied
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ThreadLocal 示例
// 两个线程从同一个 MyThread 对象取值，但结果不同。public class ThreadLocalExample { public static void main(String[] args) { MyThread t = new MyThread(); Thread thread1 = new Thread(t); Thread thread2 = new Thread(t); thread1.start(); thread2.start(); }}
class MyThread implements Runnable {
private ThreadLocal threadLocal = new ThreadLocal();
@Override public void run() { threadLocal.set((int) (Math.random() * 100D)); try { Thread.sleep(2000); } catch (InterruptedException e) {} System.out.println(threadLocal.get()); }}
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