并发------多线程安全

一、为什么会存在多线程安全问题?

当多个线程同时共享同一个全局变量或者静态变量，做写的操作时，可能会发生数据冲突问题。但是做读的操作是不会发生数据冲突问题。

举一个常见的例子火车票卖票问题：

package com.heyu.thread.demo;

/**
 * @author: _无邪
 * @date: 2021-02-22 9:25
 * @Description: 模拟订票
 * <p>
 * synchronized 是自动锁  代码运行完毕 或 抛出异常  会自动释放锁
 * lock 人为控制 获取 、释放锁， 扩展性高
 */
public class Thread01 implements Runnable {
    private int count = 100;

    //    private ReentrantLock lock=new ReentrantLock();
    public static void main(String[] args) {
        Thread01 threadControllerTest = new Thread01();
        new Thread(threadControllerTest, "线程1").start();
        new Thread(threadControllerTest, "线程2").start();

    }

    public void ticket() {

        if (count != 0) {
            count--;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + "这是第" + (100 - count) + "张票：");
        }

    }

    @Override
    public void run() {
        while (count > 0) {
            ticket();
        }

    }
}

运行结果：
在这里插入图片描述

由此可看出在不加锁的情况下，会出现车票重复出售的情况。

解决方法添加this锁，就会避免车票重复出售的情况。如下代码所示：

package com.heyu.thread.demo;

/**
 * @author: _无邪
 * @date: 2021-02-22 9:25
 * @Description: 模拟订票
 * <p>
 * synchronized 是自动锁  代码运行完毕 或 抛出异常  会自动释放锁
 * lock 人为控制 获取 、释放锁， 扩展性高
 */
public class Thread01 implements Runnable {
    private int count = 100;

    //    private ReentrantLock lock=new ReentrantLock();
    public static void main(String[] args) {
        Thread01 threadControllerTest = new Thread01();
        new Thread(threadControllerTest, "线程1").start();
        new Thread(threadControllerTest, "线程2").start();

    }

    public synchronized void ticket() {

        if (count != 0) {
            count--;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + "这是第" + (100 - count) + "张票：");
        }

    }

    @Override
    public void run() {
        while (count > 0) {
            ticket();
        }

    }
}

二、常见线程安全解决方法：

1、内置的锁

Java提供了一种内置的锁机制来支持原子性

每一个Java对象都可以用作一个实现同步的锁，称为内置锁，线程进入同步代码块之前自动获取到锁，代码块执行完成正常退出或代码块中抛出异常退出时会释放掉锁

内置锁为互斥锁，即线程A获取到锁后，线程B阻塞直到线程A释放锁，线程B才能获取到同一个锁
内置锁使用synchronized关键字实现，synchronized关键字有两种用法：

1.修饰需要进行同步的方法（所有访问状态变量的方法都必须进行同步），此时充当锁的对象为调用同步方法的对象

2.同步代码块和直接使用synchronized修饰需要同步的方法是一样的，但是锁的粒度可以更细，并且充当锁的对象不一定是this，也可以是其它对象，所以使用起来更加灵活

2、同步代码块synchronized

就是将可能会发生线程安全问题的代码，给包括起来。

synchronized(锁对象){
可能会发生线程冲突问题代码
}

锁对象任意对象
必须保证多个线程使用的是同一个锁对象
把{} 只让一个线程进

案例：

package com.heyu.thread.thread;

/**
 * @author: _无邪
 * @date: 2021-02-23 11:23
 * @Description: 线程通信
 * 负载均衡算法  轮询
 * count = (count + 1) % 2;
 */
public class Thread04 {

    private Res res = new Res();

    class Res {
        private String username;
        private String sex;
        private boolean flag ;
    }

    class writeOper implements Runnable {

        public int count = 0;
        public Res res;

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

        /**
         * 使用object锁，两个对象共享共一个res ，必须使用同一个object锁
         */
        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                synchronized (res) {
                    if(res.flag){
                        try {
                            res.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    if (count == 0) {
                        res.username = "_无邪";
                        res.sex = "男";
                    } else {
                        res.username = "小小";
                        res.sex = "女";
                    }
//                负载均衡算法  轮询
                    count = (count + 1) % 2;
                    res.flag = true;
                    res.notify();
                }
            }
        }
    }

    class readOper implements Runnable {

        private Res res;

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

        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                synchronized (res) {
                    if(!res.flag){
                        try {
                            res.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    System.out.println(res.username + "，" + res.sex);
                    res.flag = false;
                    res.notify();
                }
            }

        }
    }

    public void start() {
        Res res = new Res();
        writeOper writeOper = new writeOper(res);
        readOper readOper = new readOper(res);
        new Thread(writeOper).start();
        new Thread(readOper).start();

    }

    public static void main(String[] args) {
        new Thread04().start();
    }
}

3、同步方法

创建一个方法修饰符添加synchronized
把访问了共享数据的代码放入到方法中
调用同步方法

案例:

package com.heyu.thread.thread;

/**
 * @author: _无邪
 * @date: 2021-02-22 9:25
 * @Description: 模拟订票
 * <p>
 * synchronized 是自动锁  代码运行完毕 或 抛出异常  会自动释放锁
 * lock 人为控制 获取 、释放锁， 扩展性高
 */
public class Thread01 implements Runnable {
    private int count = 100;

    //    private ReentrantLock lock=new ReentrantLock();
    public static void main(String[] args) {
        Thread01 threadControllerTest = new Thread01();
        new Thread(threadControllerTest, "线程1").start();
        new Thread(threadControllerTest, "线程2").start();

    }

    public synchronized void ticket() {

        if (count != 0) {
            count--;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + "这是第" + (100 - count) + "张票：");
        }

    }

    @Override
    public void run() {
        while (count > 0) {
            ticket();
        }

    }
}

三、多线程死锁

锁循环嵌套，导致锁无法释放

案例：

package com.heyu.thread.thread;

/**
 * @author: _无邪
 * @date: 2021-02-22 9:25
 * @Description: 死锁
 * <p>
 * 线程1 先调用OBJECT锁 在调用 this锁
 * 线程二先调用this锁 在调用OBJECT锁
 * 线程 锁 循环嵌套  导致死锁
 */
public class Thread02 implements Runnable {
    private int count = 100;
    private boolean flag = true;
    private Object object = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        Thread02 threadTest02 = new Thread02();
        new Thread(threadTest02, "线程1").start();
        try {
            Thread.sleep(40);
        } catch (InterruptedException e) {

        }
        threadTest02.flag = false;
        new Thread(threadTest02, "线程2").start();

    }

    private synchronized void ticket() {
        synchronized (object) {
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
            }
            if (count != 0) {
                count--;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + "这是第" + (100 - count) + "张票：");
            }
        }


    }

    @Override
    public void run() {
        if (flag) {
            while (count > 0) {
                synchronized (object) {
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {

                    }
                    ticket();
                }
            }
        } else {
            while (count > 0) {
                ticket();
            }
        }

    }
}

运行结果：
在这里插入图片描述
可用jconsole检测死锁，并查看死锁位置，jconsole使用方法可百度，这边不做介绍。
jconsole检测结果如下所示：

四、多线程三大特性

1、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。这行代码在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，

2、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。

3、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

则因为重排序，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。

五、volatile 关键字

volatile：可见性也就是说一旦某个线程修改了该被volatile修饰的变量，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，可以立即获取修改之后的值。禁止指令重排序。

在Java中为了加快程序的运行效率，对一些变量的操作通常是在该线程的寄存器或是CPU缓存上进行的，之后才会同步到主存中，而加了volatile修饰符的变量则是直接读写主存。

这边采用单例模式中的恶汉模式做介绍：

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance = null;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance(){
        //先检查实例是否存在，如果不存在才进入下面的同步块
        if(instance == null){
            //同步块，线程安全的创建实例
            synchronized (Singleton.class) {
                //再次检查实例是否存在，如果不存在才真正的创建实例
                if(instance == null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

如果不加volatile 会造成的结果:

当有两个线程A和B同时进入if方法，A首先进入对象锁，因为对象为空，所以执行实例化方法，由于jvm的内部优化机制，JVM先画出了一些分配给Singleton实例的空白内存，并赋值给instance成员（注意此时JVM没有开始初始化这个实例），然后A离开了synchronized块。当B进入的时候发现对象部位null所以不实例化，此时当B线程调用对象实例时就会发现他并没有被初始化，就会发生错误！！！

Volatile与Synchronized区别

volatile虽然具有可见性但是不能保证原子性。
性能方面，synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码，就会影响程序执行效率，而volatile关键字在某些情况下性能要优于synchronized。
但是要注意volatile关键字是无法替代synchronized关键字的，因为volatile关键字无法保证操作的原子性。

原文链接：https://blog.csdn.net/weixin_44120354/article/details/114312278