线程安全

前言：学习笔记，以供参考

最近学习并发编程，并发编程肯定和多线程、线程安全有关系，那么下面是我总结了自己学习线程安全的笔记！！！

1.线程安全的概念

　　多个线程访问某一个类（对象或方法）时，这个类始终都能保持正确的行为，那么这个类（对象或方法）是线程安全的。

2.synchronized

　　可以在任意对象和方法上加锁，而加锁的这段代码称为“互斥区”或“临界区”。

　　a.示例

package com.wp.test;
public class MyThread extends Thread {
    private int count = 5;
    public synchronized void run(){
        count--;
        System.out.println(this.currentThread().getName()+" count="+count);
    }
    public static void main(String args[]){
        MyThread myThread = new MyThread();
        Thread t1 = new Thread(myThread,"t1");
        Thread t2 = new Thread(myThread,"t2");
        Thread t3 = new Thread(myThread,"t3");
        Thread t4 = new Thread(myThread,"t4");
        Thread t5 = new Thread(myThread,"t5");
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
        t4.start();
        t5.start();
    }
}

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　　b.示例总结

　　如果run方法前没有加关键字“synchronized”，那么对于多个线程操作count变量，是不安全的。加上“synchronized”时，那么线程是安全的；当多个线程访问run方法时，以排队的方式进行处理（此处的排队是按照CPU分配的先后顺序而定），一个线程想要执行这个synchronized修饰的run方法，首先要获得锁，如果获取不到，便会一直等到获取这把锁为止，此时，如果有多个线程，那么多个线程会竞争这把锁，这时会有锁竞争问题。锁竞争问题很导致应用程序非常慢。

3.对象锁和类锁

　　多个线程，每个线程都可以拿到自己指定的锁，分别获得锁之后执行锁定的内容。此处有两个概念：对象锁和类锁，示例总结将做解释。

　　a.示例

package com.wp.test;
 /**
  * 关键字synchronized取得的锁都是对象锁，而不是把一段代码（方法）当作锁
  * 所以代码中哪个线程先执行synchronized对应的方法，该线程就持有该方法所属对象的锁（LOCK）
  * 
  * 在静态方法前加关键字synchronized，表示该方法的锁是类级别的锁。
 * 
 */
public class MultiThread {
    private  static int num = 0;
    /* static **/
    public static synchronized void printNum(String tag){
        try{
            if("a".equals(tag)){
                num = 100;
                System.out.println("tag a！set number over！");
                Thread.sleep(1000);
            }else{
                num = 200;
                System.out.println("tag b! set number over!");
            }
            System.out.println("num="+num);
        }catch(Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
    //注意观察run方法输出顺序
    public static void main(String args[]){
        //两个不同的对象
        final MultiThread m1 = new MultiThread();
        final MultiThread m2 = new MultiThread();
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            
            @Override
            public void run() {
                m1.printNum("a");
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            
            @Override
            public void run() {
                m2.printNum("b");
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

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　　执行结果：

1. 无static：
tag a！set number over！
tag b! set number over!
num=200
num=100
2.有static
tag a！set number over！
num=100
tag b! set number over!

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　　b.示例总结

　　代码中线程取得的锁都是对象锁，而不是把一段代码（或方法）当作锁，对象锁的特点是不同的对象对应着不同的锁，互不影响。在静态方法上加上关键字synchronized，表示锁定的是.class类，属于类级别的锁。

4.对象锁的同步和异步

　　a.同步synchronized

　　同步的概念就是是共享资源，如果多个线程共享资源，那么就有必要进行同步了。

　　b.异步asynchronized

　　异步的概念是独立，多个线程相互之间不受任何制约。

　　c.同步的目的就是为了线程安全，对于线程安全，需要满足两个特性：1).原子性（同步） 2).可见性

　　d.示例

package com.wp.test;
 /**
 * 对象锁的同步和异步问题
 */
public class MyObject {
    public synchronized void method1(){
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName());
            Thread.sleep(4000);
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public void method2(){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
    public static void main(String args[]){
        final MyObject mo = new MyObject();
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            
            @Override
            public void run() {
                mo.method1();
            }
        },"t1");
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            
            @Override
            public void run() {
                mo.method2();
            }
        },"t2");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

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　　示例总结：若t1线程先持有Object对象锁，t2线程如果这个时候要调用对象中的同步（synchronized）方法则需要等待t1释放锁，才可以调用，也就说同步了；若t1线程先持有Object对象锁，t2线程这个时候调用异步（非synchronized修饰）的方法，则会立即调用，t1和t2之间没有影响，也就说是异步了。

5.脏读

　　对于对象的同步和异步方法，我们在设计的时候一定要考虑问题的整体性，不然就会出现数据不一致的错误，很经典的一个错误就是脏读。

　　a.示例

package com.wp.test;
public class DirtyRead {
    private String uname = "sxt";
    private String pwd = "123";
    public synchronized void setValue(String uname,String pwd){
        try {
            this.uname = uname;
            Thread.sleep(2000);
            this.pwd = pwd;
            System.out.println("setValue设置的值：uname="+uname+" pwd="+pwd);
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public void getValue(){
        System.out.println("getValue的最终值：uname="+uname+" pwd="+pwd);
    }
    public static void main(String args[]) throws Exception{
        final DirtyRead dr = new DirtyRead();
        Thread t = new Thread(new Runnable() {
            
            @Override
            public void run() {
                dr.setValue("wangping", "456");
            }
        });
        t.start();
        Thread.sleep(1000);
        dr.getValue();
    }
}
/**getValue的最终值：uname=wangping pwd=123

　　setValue设置的值：uname=wangping pwd=456*/

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　　b.示例分析

　　pwd不一致，解决方法：getValue方法加关键字synchronized。加上对象锁之后，等到锁被释放才可以获得锁。保持业务数据一致性。

　　c.示例总结

　　当我在给对象的方法加锁的时候，一定要考虑业务的整体性，即示例中setValue和getValue方法都加synchronized锁住，就保证了业务的原子性，保证业务不会出错。

　　d.oracle关系型数据库，一致性读实现原理

　　案例描述：oracle，用户A，9点查询某条数据（100），9:10才可以查到所需数据。而用户B在9:05执行了DML操作，那么A所查的数据在数据库已经变化（200）。那么A在9:10查到的结果是100还是200？答案是：100。

原因：oracle数据库有一致性读的特性。B在update时，会将之前的数据保存到undo中做记录。当A在9:00这一时刻查时，将这一动作保存到ITL中，当A在9:10查100数据时，会判断ITL中对该数据的动作是否更新（是否在9:00这一刻之后发生变化），如果更新了，那么会从100对应的undo中将之前的数据返回。所以，结果为100。

　　Undo的作用：提供一致性读（Consistent Read）、回滚事务（Rollback Transaction）以及实例恢复（Instance Recovery）。

　　详细解释：http://www.educity.cn/shujuku/1121393.html

6.synchronized锁重入

　　关键字synchronized拥有锁重入的功能，也就是在使用synchronized时，当一个对象得到对象锁之后，不释放锁，还可以再次获得该对象的锁，称为锁重入。

　　a.示例1：方法锁重入

package com.wp.test;
public class SyncDubbo1 {
    public synchronized void method1(){
        System.out.println("method1------------------");
        method2();
    }
    public synchronized void method2(){
        System.out.println("method2------------------");
        method3();
    }
    public synchronized void method3(){
        System.out.println("method3------------------");
    }
    public static void main(String args[]){
        final SyncDubbo1 s = new SyncDubbo1();
        Thread t = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                s.method1();
            }
        });
        t.start();
    }
}
/**结果：

　*　method1-----------------

　*　method2------------------

*　method3------------------
*/

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　　示例2：子类方法锁重入

package com.wp.test;
public class SyncDubbo2 {
    static class Main{
        public int i = 10;
        public synchronized void operationSup(){
            try{
                i--;
                System.out.println("Main print i="+i);
                Thread.sleep(100);
            }catch(Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    static class Sub extends Main{
        public synchronized void operationSub(){
            try{
                while(i>0){
                    i--;
                    System.out.println("Sub print i="+i);
                    Thread.sleep(100);
                    this.operationSup();
                }
            }catch(Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    public static void main(String args[]){
        Thread t = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                Sub s = new Sub();
                s.operationSub();
            }
        });
        t.start();
    }
}

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　　结果：

Sub print i=9
Main print i=8
Sub print i=7
Main print i=6
Sub print i=5
Main print i=4
Sub print i=3
Main print i=2
Sub print i=1
Main print i=0

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　　示例3：锁中的内容出现异常

　　对于web应用程序，异常释放锁的情况，如果不特殊处理，那么业务逻辑会出现很严重的错，比如执行一个队列任务，很对任务对象都在等待第一个对象正确执行完之后释放锁，但是执行第一个对象时出现了异常，导致剩余任务没有执行，那么业务逻辑就会出现严重错误，所以在设计代码的时候一定要慎重考虑。

　　解决方式：出现异常时，捕获异常后通过记录异常信息到日志文件，然后剩余任务对象继续执行，那么整个任务执行完之后，再对出现异常的那个任务对象进行处理，从而不会影响其他任务对象的执行。

package com.wp.test;
public class SyncException {
    private int i = 0;
    public synchronized void operation(){
        while(true){
            try{
                i++;
                Thread.sleep(200);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+",i="+i);
                if(i==3){
                    Integer.parseInt("a");//throw RuntimeException
                }
            }catch(Exception e){
                e.printStackTrace();
                System.out.println("log info i="+i);
            }
        }
    }
    public static void main(String args[]){
        final SyncException se = new SyncException();
        Thread t = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
               se.operation();
            }
        });
        t.start();
    }
}

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　　结果：执行方法的时候，出现异常，不会释放锁，业务继续执行。执行完之后，对发生的异常进行处理。比如说存储过程：当更新某张表的数据时，出现异常，那么将异常信息保存到日志表中，稍后进行处理，而使得该表的数据继续更新。

Thread-0,i=1
Thread-0,i=2
Thread-0,i=3
java.lang.NumberFormatException: For input string: "a"
log info i=3
    at java.lang.NumberFormatException.forInputString(NumberFormatException.java:65)
    at java.lang.Integer.parseInt(Integer.java:492)
    at java.lang.Integer.parseInt(Integer.java:527)
    at com.wp.test.SyncException.operation(SyncException.java:11)
    at com.wp.test.SyncException$1.run(SyncException.java:24)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
Thread-0,i=4
Thread-0,i=5
Thread-0,i=6

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7.synchronized关键字

　　使用synchronized声明的方法在某些情况下是有弊端的，比如A线程调用同步的方法执行一个很长时间的任务，那么B线程就必须等待同样长的时间才能执行，这样的情况下可以使用synchronized代码块去优化代码执行时间，通常说，减小了锁的粒度。

　　Synchronized可以使用任意的Object进行加锁，用法比较灵活。

　　特别注意，就是不要使用String的常量加锁，会出现死循环问题。

　　锁对象改变问题：当使用一个对象进行加锁的时候，要注意对象本身是否发生变化（地址），如果发生变化，那么就会释放锁。例如，如果是字符串的锁，当字符串改变后就会释放锁。但是，对象的属性发生变化，不会有影响的。

　　a.示例1：synchronized代码块

package com.wp.test;
public class ObjectLock {
    public void method1(){
        synchronized(this){
            try {
                System.out.println("do method1...");
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    public void method2(){
        synchronized(ObjectLock.class){
            try {
                System.out.println("do method2...");
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    
    private Object lock = new Object();
    public void method3(){
        synchronized(lock){
            try {
                System.out.println("do method3...");
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    public static void main(String args[]){
        final ObjectLock ol = new ObjectLock();
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                ol.method1();
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                ol.method2();
            }
        });
        Thread t3 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                ol.method3();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

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　　结果：

do method1...
do method3...
do method2...

　　b.示例2：字符串锁改变

package com.wp.test;
public class ChangeLock {
    private String lock = "lock";
    public void method(){
        synchronized(lock){
            try {

                System.out.println("当前线程："+Thread.currentThread().getName()+"开始");
                lock = "lock1";
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println("当前线程： "+Thread.currentThread().getName()+"结束");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    public static void main(String args[]){
        final ChangeLock cl = new ChangeLock();
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                cl.method();
            }
        },"t1");
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
               cl.method();
            }
        },"t2");
        t1.start();
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        t2.start();
    }

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　　结果：字符串改变之后，会释放锁。

　　示例3：

package com.wp.test;
public class ModifyLock {
    private String name;
    private int age;
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
    public int getAge() {
        return age;
    }
    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }
    public synchronized void changeAttribute(String name,int age){
        try {
            System.out.println("当前线程："+Thread.currentThread().getName()+"开始");
            this.setName(name);
            this.setAge(age);
            System.out.println("当前线程:"+Thread.currentThread().getName()+"修改的内容为："
                    +this.getName()+","+this.getAge());
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println("当前线程："+Thread.currentThread().getName()+"结束");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public static void main(String args[]){
        final ModifyLock ml = new ModifyLock();
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                ml.changeAttribute("张三", 20);
            }
        },"t1");
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
               ml.changeAttribute("李四", 21);
            }
        },"t2");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

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　　结果分析：如果对象内容变化，对象本身引用不发生变化，那么依然同步，属性变化，没有影响，依然同步。

8.volatile关键字

　　当多个线程使用同一变量时，为了线程安全，通常我们会在访问变量的地方加一把锁，但是这样效率比较低。但是Volatile的效率相对高点。

　　Volatile关键字的主要作用是使用变量在多个线程间可见。原理：强制线程到主内存里去读取变量，而不去线程工作内存区去读，那么当前线程使用的变量是最新的变量（不管其他线程有无修改），从而实现了多个线程间变量可见，也就是满足了线程安全的可见性。如果不明白，下面的示例，运行一下，就明白了。

package com.wp.test;
public class RunThread extends Thread{
    /**volatile*/
    private volatile boolean isRunning = true;
    public void setRunning(boolean isRunning){
        this.isRunning = isRunning;
    }
    public void run(){
        System.out.println("进入run方法。。");
        while(isRunning == true){
            //...
        }
        System.out.println("线程终止。。");
    }
    public static void main(String args[]) throws InterruptedException{
        RunThread rt = new RunThread();
        rt.start();
        Thread.sleep(3000);
        rt.setRunning(false);
        System.out.println("isRunning的值已经设置成了false");
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(rt.isRunning);
    }
}

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　　结果分析：isRunning不用volatile修饰时，当主线程修改isRunning的值时，线程rt的内存中的isRunning副本不会变化；isRunning用volatile修饰时，当主线程修改isRunning的值时，会强制线程rt从内存中读取isRunning的值，那么rt内存里的isRunning也就发生了修改。

　　Volatile关键字虽然拥有多个线程之间的可见性，但是却不具备同步性（也就是原子性），可以算得上一个轻量级的synchronized，性能要比synchronized强很多，不会造成阻塞（在很多开源的框架里，比如netty的底层代码就是大量使用volatile，可见netty性能非常不错。）这里需要注意，一般volatile用于只针对于多个线程可见的变量操作，并不能代替synchronized的同步功能。具体来说，volatile关键字只有可见性，没有原子性。要实现原子性，建议使用atomic类的系列对象，支持原子性操作（注意atomic类只保证本身方法原子性，并不保证多次操作的原子性）。用一个示例说明：

　　示例1：volatile关键字只有可见性，没有原子性，建议使用atomic类的系列对象

package com.wp.test;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class VolatileNoAtomic extends Thread {
    //private static volatile int count;
    private static AtomicInteger count = new AtomicInteger();
    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[10];
        for(int i=0;i<10;i++){
            arr[i] = new VolatileNoAtomic();
        }
        for(int i=0;i<10;i++){
            arr[i].start();
        }
    }
}

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　　结果分析：当使用volatile修饰时，由于没有原子性，因此，（线程不安全）结果达不到10000；那么使用AtomicInteger时，具有原子性，结果正确为10000。

　　示例2：atomic类只保证本身方法原子性，并不保证多次操作的原子性

package com.wp.test;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class AtomicUse {
    private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    //多个addAndGet在一个方法内是原子性的，需要加synchronized进行修饰，保证4个addAndGet整体原子性
    /**synchronized*/
    public synchronized int multiAdd(){
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        count.addAndGet(1);
        count.addAndGet(2);
        count.addAndGet(3);
        count.addAndGet(4);
        return count.get();
    }
    public static void main(String args[]){
        final AtomicUse au = new AtomicUse();
        List<Thread> ts = new ArrayList<Thread>();
        for(int i=0;i<100;i++){
            ts.add(new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(au.multiAdd());
                }
            }));
        }
        for(Thread t : ts){
            t.start();
        }
    }
}

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　　结果分析：多个addAndGet在一个方法内是原子性的，需要加synchronized进行修饰，保证4个addAndGet整体原子性。不加，每次加的值不是整10，加的话是整10。