【Java并發(fā)】線程安全性

劉玉平發(fā)布于2019-08-16 15:08 / 2309人閱讀

摘要：另一個是使用鎖的機制來處理線程之間的原子性。依賴于去實現(xiàn)鎖，因此在這個關鍵字作用對象的作用范圍內(nèi)，都是同一時刻只能有一個線程對其進行操作的。

線程安全性

定義：當多個線程訪問某個類時，不管運行時環(huán)境采用何種調度方式或者這些線程將如何交替執(zhí)行，并且在主調代碼中不需要任何額外的同步或協(xié)同，這個類都能表現(xiàn)出正確的行為，那么就稱這個類是線程安全的。

線程安全性主要體現(xiàn)在三個方面：原子性、可見性、有序性：

原子性：提供了互斥訪問，同一時刻只能有一個線程來對它進行操作

可見性：一個線程對主內(nèi)存的修改可以及時地被其他線程觀察到

有序性：一個線程觀察其他線程中的指令執(zhí)行順序，由于指令重排序的存在，該觀察結果一般雜亂無序

原子性

原子性在 JDK 中主要由兩個方面體現(xiàn)出來：

Atomic

一個是 JDK 中已經(jīng)提供好的 Atomic 包，它們均使用了 CAS 完成線程的原子性操作（詳見【Java并發(fā)】淺析 AtomicLong & LongAdder）。

另一個是使用鎖的機制來處理線程之間的原子性。鎖主要包括：synchronized、lock。

synchronized

依賴于 JVM 去實現(xiàn)鎖，因此在這個關鍵字作用對象的作用范圍內(nèi)，都是同一時刻只能有一個線程對其進行操作的。synchronized 是 Java 中的一個關鍵字，是一種同步鎖。它可以修飾的對象主要有四種：

修飾代碼塊：大括號括起來的代碼，作用于調用的對象

修飾方法：整個方法，作用于調用的對象

修飾靜態(tài)方法：整個靜態(tài)方法，作用于所有對象

修飾類：括號括起來的部分，作用于所有對象

注意：如果當前類是一個父類，子類調用父類的被 synchronized 修飾的方法，不會攜帶 synchronized 屬性，因為 synchronized 不屬于方法聲明的一部分。

Lock

首先要說明的就是 Lock，通過查看 Lock 的源碼可知，Lock 是一個接口。ReentrantLock 是唯一實現(xiàn)了 Lock 接口的類，意思是“可重入鎖”，并且 ReentrantLock 提供了更多的方法。

public interface Lock {
    void lock();
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    boolean tryLock();
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    void unlock();
    Condition newCondition();
}

鎖的分類

可重入鎖

synchronized / ReentrantLock

可中斷鎖

synchronized 不可中斷，Lock 可中斷

公平鎖

synchronized 非公平鎖

ReentrantLock 和 ReentrantReadWriteLock 默認情況下非公平鎖，可設置為公平鎖

讀寫鎖

ReadWriteLock / ReentrantReadWriteLock

可見性

導致共享變量在線程間不可見的原因：

線程交叉執(zhí)行

重排序結合線程交叉執(zhí)行

共享變量更新后的值沒有在工作內(nèi)存與主存間及時更新

JVM 對于可見性，提供了 synchronized 和 volatile：

synchronized

JMM 關于 synchronized 的兩條規(guī)定：

線程解鎖前，必須把共享變量的最新值刷新到主內(nèi)存

線程加鎖時，將清空工作內(nèi)存中共享變量的值，從而使用共享變量時需要從主內(nèi)存中重新讀取最新的值（注意：加鎖與解鎖是同一把鎖）

volatile

volatile 的方式是：通過加入內(nèi)存屏障和禁止重排序優(yōu)化來實現(xiàn)。

對 volatile 變量寫操作時，會在寫操作后加入一條 store 屏障指令，將本地內(nèi)存中的共享變量值刷新到主內(nèi)存。

對 volatile 變量讀操作時，會在讀操作前加入一條 load 屏障指令，從主內(nèi)存中讀取共享變量。

volatile的屏障操作都是 cpu 級別的；適合狀態(tài)驗證，不適合累加值，volatile關鍵字不具有原子性。

適合狀態(tài)驗證，不適合累加值，volatile關鍵字不具有原子性

有序性

Java 內(nèi)存模型中，允許編譯器和處理器對指令進行重排序，但是重排序過程不會影響到單線程程序的執(zhí)行，卻會影響到多線程并發(fā)執(zhí)行的正確性。而 Java 提供了 volatile、synchronized、Lock，它們可以用來保證有序性。

另外，Java 內(nèi)存模型具備一些先天的有序性，即不需要任何手段就能得到保證的有序性。通常被我們稱為happens-before 原則（先行發(fā)生原則）。如果兩個線程的執(zhí)行順序無法從 happens-before 原則推導出來，那么就不能保證它們的有序性，虛擬機就可以對它們進行重排序。

【以下規(guī)則摘抄自《深入理解Java虛擬機》】

程序次序規(guī)則：一個線程內(nèi)，按照代碼順序，書寫在前面的操作先行發(fā)生于書寫在后面的操作
鎖定規(guī)則：一個unlock操作先行發(fā)生于后面對同一個鎖的lock操作
volatile變量規(guī)則：對一個變量的寫操作先行發(fā)生于后面對這個變量的讀操作（重要）
傳遞規(guī)則：如果操作A先行發(fā)生于操作B，而操作B又先行發(fā)生于操作C，則可以得出操作A先行發(fā)生于操作C
線程啟動規(guī)則：Thread對象的start()方法先行發(fā)生于此線程的每一個動作
線程中斷規(guī)則：對線程interrupt()方法的調用先行發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發(fā)生
線程終結規(guī)則：線程中所有的操作都先行發(fā)生于線程的終止檢測，我們可以通過Thread.join()方法結束、Thread.isAlive()的返回值手段檢測到線程已經(jīng)終止執(zhí)行

思維導圖

筆記整理自：【IMOOC】Java并發(fā)編程與高并發(fā)解決方案

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