Java中如何保證線程安全性

一、線程安全在三個方面體現

1.原子性：提供互斥訪問，同一時刻只能有一個線程對數據進行操作，（atomic,synchronized）；

2.可見性：一個線程對主內存的修改可以及時地被其他線程看到，（synchronized,volatile）；

3.有序性：一個線程觀察其他線程中的指令執行順序，由於指令重排序，該觀察結果一般雜亂無序，（happens-before原則）。

接下來，依次分析。

二、原子性---atomic

JDK里面提供了很多atomic類，AtomicInteger,AtomicLong,AtomicBoolean等等。

它們是通過CAS完成原子性。

我們一次來看AtomicInteger，AtomicStampedReference，AtomicLongArray，AtomicBoolean。

（1）AtomicInteger

先來看一個AtomicInteger例子：

public class AtomicIntegerExample1 {
    // 請求總數
    public static int clientTotal = 5000;
    // 同時並發執行的線程數
    public static int threadTotal = 200;
 
    public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
 
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();//獲取線程池
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);//定義信號量
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
        for (int i = 0; i < clientTotal ; i++) {
            executorService.execute(() -> {
                try {
                    semaphore.acquire();
                    add();
                    semaphore.release();
                } catch (Exception e) {
                    log.error("exception", e);
                }
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
        log.info("count:{}", count.get());
    }
 
    private static void add() {
        count.incrementAndGet();
    }
}

我們可以執行看到最后結果是5000是線程安全的。

那么看AtomicInteger的incrementAndGet()方法：

 再看getAndAddInt()方法：

 這里面調用了compareAndSwapInt()方法：

它是native修飾的，代表是java底層的方法，不是通過java實現的 。

再重新看getAndAddInt()，傳來第一個值是當前的一個對象 ，比如是count.incrementAndGet()，那么在getAndAddInt()中，var1就是count，而var2第二個值是當前的值，比如想執行的是2+1=3操作，那么第二個參數是2，第三個參數是1 。

變量5（var5）是我們調用底層的方法而得到的底層當前的值，如果沒有別的線程過來處理我們count變量的時候，那么它正常返回值是2。

因此傳到compareAndSwapInt方法里的參數是（count對象，當前值2，當前從底層傳過來的2，從底層取出來的值加上改變量var4）。

compareAndSwapInt()希望達到的目標是對於var1對象，如果當前的值var2和底層的值var5相等，那么把它更新成后面的值（var5+var4）.

compareAndSwapInt核心就是CAS核心。

關於count值為什么和底層值不一樣：count里面的值相當於存在於工作內存的值，底層就是主內存。

（2）AtomicStampedReference

接下來我們看一下AtomicStampedReference。

關於CAS有一個ABA問題：開始是A，后來改為B，現在又改為A。解決辦法就是：每次變量改變的時候，把變量的版本號加1。

這就用到了AtomicStampedReference。

我們來看AtomicStampedReference里的compareAndSet()實現：

而在AtomicInteger里compareAndSet()實現：

 

可以看到AtomicStampedReference里的compareAndSet()中多了 一個stamp比較（也就是版本），這個值是由每次更新時來維護的。

（3）AtomicLongArray

這種維護數組的atomic類，我們可以選擇性地更新其中某一個索引對應的值，也是進行原子性操作。這種對數組的操作的各種方法，會多處一個索引。

比如，我們看一下compareAndSet()：

（4）AtomicBoolean

看一段代碼：

public class AtomicBooleanExample {
 
    private static AtomicBoolean isHappened = new AtomicBoolean(false);
 
    // 請求總數
    public static int clientTotal = 5000;
    // 同時並發執行的線程數
    public static int threadTotal = 200;
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
        for (int i = 0; i < clientTotal ; i++) {
            executorService.execute(() -> {
                try {
                    semaphore.acquire();
                    test();
                    semaphore.release();
                } catch (Exception e) {
                    log.error("exception", e);
                }
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
        log.info("isHappened:{}", isHappened.get());
    }
    private static void test() {
        if (isHappened.compareAndSet(false, true)) {
            log.info("execute");
        }
    }
}

執行之后發現，log.info("execute");只執行了一次，且isHappend值為true。

原因就是當它第一次compareAndSet()之后，isHappend變為true，沒有別的線程干擾。

通過使用AtomicBoolean，我們可以使某段代碼只執行一次。

三、原子性---synchronized

synchronized是一種同步鎖，通過鎖實現原子操作。

JDK提供鎖分兩種：一種是synchronized，依賴JVM實現鎖，因此在這個關鍵字作用對象的作用范圍內是同一時刻只能有一個線程進行操作；另一種是LOCK，是JDK提供的代碼層面的鎖，依賴CPU指令，代表性的是ReentrantLock。

synchronized修飾的對象有四種：

• 修飾代碼塊，作用於調用的對象；
• 修飾方法，作用於調用的對象；
• 修飾靜態方法，作用於所有對象；
• 修飾類，作用於所有對象。

修飾代碼塊和方法：

@Slf4j
public class SynchronizedExample1 {
 
    // 修飾一個代碼塊
    public void test1(int j) {
        synchronized (this) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                log.info("test1 {} - {}", j, i);
            }
        }
    }
 
    // 修飾一個方法
    public synchronized void test2(int j) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            log.info("test2 {} - {}", j, i);
        }
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedExample1 example1 = new SynchronizedExample1();
        SynchronizedExample1 example2 = new SynchronizedExample1();
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        //一
        executorService.execute(() -> {
            example1.test1(1);
        });
        executorService.execute(() -> {
            example1.test1(2);
        });
        //二
        executorService.execute(() -> {
            example2.test2(1);
        });
        executorService.execute(() -> {
            example2.test2(2);
        });
        //三
        executorService.execute(() -> {
            example1.test1(1);
        });
        executorService.execute(() -> {
            example2.test1(2);
        });
    }
}

執行后可以看到對於情況一，test1內部方法塊作用於example1，先執行完一次0-9輸出，再執行下一次0-9輸出；情況二，同情況一類似，作用於example2；情況三，可以看到交叉執行，test1分別獨立作用於example1和example2，互不影響。

修飾靜態方法和類

@Slf4j
public class SynchronizedExample2 {
 
    // 修飾一個類
    public static void test1(int j) {
        synchronized (SynchronizedExample2.class) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                log.info("test1 {} - {}", j, i);
            }
        }
    }
 
    // 修飾一個靜態方法
    public static synchronized void test2(int j) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            log.info("test2 {} - {}", j, i);
        }
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedExample2 example1 = new SynchronizedExample2();
        SynchronizedExample2 example2 = new SynchronizedExample2();
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        executorService.execute(() -> {
            example1.test1(1);
        });
        executorService.execute(() -> {
            example2.test1(2);
        });
    }
}

test1和test2會鎖定調用它們的對象所屬的類，同一個時間只有一個對象在執行。

四、可見性---volatile

對於可見性，JVM提供了synchronized和volatile。這里我們看volatile。

（1）volatile的可見性是通過內存屏障和禁止重排序實現的

volatile會在寫操作時，會在寫操作后加一條store屏障指令，將本地內存中的共享變量值刷新到主內存：

 

volatile在進行讀操作時，會在讀操作前加一條load指令，從內存中讀取共享變量：

（2）但是volatile不是原子性的，進行++操作不是安全的

@Slf4j
public class VolatileExample {
 
    // 請求總數
    public static int clientTotal = 5000;
 
    // 同時並發執行的線程數
    public static int threadTotal = 200;
 
    public static volatile int count = 0;
 
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
        for (int i = 0; i < clientTotal ; i++) {
            executorService.execute(() -> {
                try {
                    semaphore.acquire();
                    add();
                    semaphore.release();
                } catch (Exception e) {
                    log.error("exception", e);
                }
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
        log.info("count:{}", count);
    }
 
    private static void add() {
        count++;
    }
}

執行后發現線程不安全，原因是 執行conut++ 時分成了三步，第一步是取出當前內存 count 值，這時 count 值時最新的，接下來執行了兩步操作，分別是 +1 和重新寫回主存。假設有兩個線程同時在執行 count++ ，兩個內存都執行了第一步，比如當前 count 值為 5 ，它們都讀到了，然后兩個線程分別執行了 +1 ，並寫回主存，這樣就丟掉了一次加一的操作。

（3）volatile適用的場景

既然volatile不適用於計數，那么volatile適用於哪些場景呢：

1. 對變量的寫操作不依賴於當前值
2. 該變量沒有包含在具有其他變量不變的式子中

因此，volatile適用於狀態標記量：

 

 線程1負責初始化，線程2不斷查詢inited值，當線程1初始化完成后，線程2就可以檢測到inited為true了。

五、有序性

有序性是指，在JMM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行，卻會影響到多線程並發執行的正確性。

可以通過volatile、synchronized、lock保證有序性。

另外，JMM具有先天的有序性，即不需要通過任何手段就可以得到保證的有序性。這稱為happens-before原則。

如果兩個操作的執行次序無法從happens-before原則推導出來，那么它們就不能保證它們的有序性。虛擬機可以隨意地對它們進行重排序。

happens-before原則：

1. 程序次序規則：在一個單獨的線程中，按照程序代碼書寫的順序執行。
2. 鎖定規則：一個unlock操作happen—before后面對同一個鎖的lock操作。
3. volatile變量規則：對一個volatile變量的寫操作happen—before后面對該變量的讀操作。
4. 線程啟動規則：Thread對象的start()方法happen—before此線程的每一個動作。
5. 線程終止規則：線程的所有操作都happen—before對此線程的終止檢測，可以通過Thread.join()方法結束、Thread.isAlive()的返回值等手段檢測到線程已經終止執行。
6. 線程中斷規則：對線程interrupt()方法的調用happen—before發生於被中斷線程的代碼檢測到中斷時事件的發生。
7. 對象終結規則：一個對象的初始化完成（構造函數執行結束）happen—before它的finalize()方法的開始。
8. 傳遞性：如果操作A happen—before操作B，操作B happen—before操作C，那么可以得出A happen—before操作C。