java線程安全總結(jié)

燮羽 2010-12-14

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最近想將java基礎(chǔ)的一些東西都整理整理，寫下來，這是對知識的總結(jié)，也是一種樂趣。已經(jīng)擬好了提綱，大概分為這幾個主題： java線程安全，java垃圾收集，java并發(fā)包詳細介紹，java profile和jvm性能調(diào)優(yōu) 。慢慢寫吧。本人jameswxx原創(chuàng)文章，轉(zhuǎn)載請注明出處，我費了很多心血，多謝了。關(guān)于java線程安全，網(wǎng)上有很多資料，我只想從自己的角度總結(jié)對這方面的考慮，有時候?qū)憱|西是很痛苦的，知道一些東西，但想用文字說清楚，卻不是那么容易。我認為要認識java線程安全，必須了解兩個主要的點：java的內(nèi)存模型，java的線程同步機制。特別是內(nèi)存模型，java的線程同步機制很大程度上都是基于內(nèi)存模型而設(shè)定的。后面我還會寫java并發(fā)包的文章，詳細總結(jié)如何利用java并發(fā)包編寫高效安全的多線程并發(fā)程序。暫時寫得比較倉促，后面會慢慢補充完善。

淺談java內(nèi)存模型
不同的平臺，內(nèi)存模型是不一樣的，但是jvm的內(nèi)存模型規(guī)范是統(tǒng)一的。其實java的多線程并發(fā)問題最終都會反映在java的內(nèi)存模型上，所謂線程安全無非是要控制多個線程對某個資源的有序訪問或修改?？偨Y(jié)java的內(nèi)存模型，要解決兩個主要的問題：可見性和有序性。我們都知道計算機有高速緩存的存在，處理器并不是每次處理數(shù)據(jù)都是取內(nèi)存的。JVM定義了自己的內(nèi)存模型，屏蔽了底層平臺內(nèi)存管理細節(jié)，對于java開發(fā)人員，要清楚在jvm內(nèi)存模型的基礎(chǔ)上，如果解決多線程的可見性和有序性。
那么，何謂可見性？多個線程之間是不能互相傳遞數(shù)據(jù)通信的，它們之間的溝通只能通過共享變量來進行。Java內(nèi)存模型（JMM）規(guī)定了jvm有主內(nèi)存，主內(nèi)存是多個線程共享的。當(dāng)new一個對象的時候，也是被分配在主內(nèi)存中，每個線程都有自己的工作內(nèi)存，工作內(nèi)存存儲了主存的某些對象的副本，當(dāng)然線程的工作內(nèi)存大小是有限制的。當(dāng)線程操作某個對象時，執(zhí)行順序如下：
(1) 從主存復(fù)制變量到當(dāng)前工作內(nèi)存 (read and load)
(2) 執(zhí)行代碼，改變共享變量值 (use and assign)
(3) 用工作內(nèi)存數(shù)據(jù)刷新主存相關(guān)內(nèi)容 (store and write)

JVM規(guī)范定義了線程對主存的操作指令：read，load，use，assign，store，write。當(dāng)一個共享變量在多個線程的工作內(nèi)存中都有副本時，如果一個線程修改了這個共享變量，那么其他線程應(yīng)該能夠看到這個被修改后的值，這就是多線程的可見性問題。
那么，什么是有序性呢？線程在引用變量時不能直接從主內(nèi)存中引用,如果線程工作內(nèi)存中沒有該變量,則會從主內(nèi)存中拷貝一個副本到工作內(nèi)存中,這個過程為read-load,完成后線程會引用該副本。當(dāng)同一線程再度引用該字段時,有可能重新從主存中獲取變量副本(read-load-use),也有可能直接引用原來的副本(use),也就是說 read,load,use順序可以由JVM實現(xiàn)系統(tǒng)決定。
線程不能直接為主存中中字段賦值，它會將值指定給工作內(nèi)存中的變量副本(assign),完成后這個變量副本會同步到主存儲區(qū)(store-write)，至于何時同步過去，根據(jù)JVM實現(xiàn)系統(tǒng)決定.有該字段,則會從主內(nèi)存中將該字段賦值到工作內(nèi)存中,這個過程為read-load,完成后線程會引用該變量副本，當(dāng)同一線程多次重復(fù)對字段賦值時,比如：

Java代碼 
for(int i=0;i<10;i++)  
 a++;  

線程有可能只對工作內(nèi)存中的副本進行賦值,只到最后一次賦值后才同步到主存儲區(qū)，所以assign,store,weite順序可以由JVM實現(xiàn)系統(tǒng)決定。假設(shè)有一個共享變量x，線程a執(zhí)行x=x+1。從上面的描述中可以知道x=x+1并不是一個原子操作，它的執(zhí)行過程如下：
1 從主存中讀取變量x副本到工作內(nèi)存
2 給x加1
3 將x加1后的值寫回主存
如果另外一個線程b執(zhí)行x=x-1，執(zhí)行過程如下：
1 從主存中讀取變量x副本到工作內(nèi)存
2 給x減1
3 將x減1后的值寫回主存
那么顯然，最終的x的值是不可靠的。假設(shè)x現(xiàn)在為10，線程a加1，線程b減1，從表面上看，似乎最終x還是為10，但是多線程情況下會有這種情況發(fā)生：
1：線程a從主存讀取x副本到工作內(nèi)存，工作內(nèi)存中x值為10
2：線程b從主存讀取x副本到工作內(nèi)存，工作內(nèi)存中x值為10
3：線程a將工作內(nèi)存中x加1，工作內(nèi)存中x值為11
4：線程a將x提交主存中，主存中x為11
5：線程b將工作內(nèi)存中x值減1，工作內(nèi)存中x值為9
6：線程b將x提交到中主存中，主存中x為9
同樣，x有可能為11，如果x是一個銀行賬戶，線程a存款，線程b扣款，顯然這樣是有嚴(yán)重問題的，要解決這個問題，必須保證線程a和線程b是有序執(zhí)行的，并且每個線程執(zhí)行的加1或減1是一個原子操作。看看下面代碼：

Java代碼 
public class Account {  
  
    private int balance;  
  
    public Account(int balance) {  
        this.balance = balance;  
    }  
  
    public int getBalance() {  
        return balance;  
    }  
  
    public void add(int num) {  
        balance = balance + num;  
    }  
  
    public void withdraw(int num) {  
        balance = balance - num;  
    }  
  
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
        Account account = new Account(1000);  
        Thread a = new Thread(new AddThread(account, 20), "add");  
        Thread b = new Thread(new WithdrawThread(account, 20), "withdraw");  
        a.start();  
        b.start();  
        a.join();  
        b.join();  
        System.out.println(account.getBalance());  
    }  
  
    static class AddThread implements Runnable {  
        Account account;  
        int     amount;  
  
        public AddThread(Account account, int amount) {  
            this.account = account;  
            this.amount = amount;  
        }  
  
        public void run() {  
            for (int i = 0; i < 200000; i++) {  
                account.add(amount);  
            }  
        }  
    }  
  
    static class WithdrawThread implements Runnable {  
        Account account;  
        int     amount;  
  
        public WithdrawThread(Account account, int amount) {  
            this.account = account;  
            this.amount = amount;  
        }  
  
        public void run() {  
            for (int i = 0; i < 100000; i++) {  
                account.withdraw(amount);  
            }  
        }  
    }  
}  

第一次執(zhí)行結(jié)果為10200，第二次執(zhí)行結(jié)果為1060，每次執(zhí)行的結(jié)果都是不確定的，因為線程的執(zhí)行順序是不可預(yù)見的。這是java同步產(chǎn)生的根源，synchronized關(guān)鍵字保證了多個線程對于同步塊是互斥的，synchronized作為一種同步手段，解決java多線程的執(zhí)行有序性和內(nèi)存可見性，而volatile關(guān)鍵字之解決多線程的內(nèi)存可見性問題。后面將會詳細介紹。

synchronized關(guān)鍵字
上面說了，java用synchronized關(guān)鍵字做為多線程并發(fā)環(huán)境的執(zhí)行有序性的保證手段之一。當(dāng)一段代碼會修改共享變量，這一段代碼成為互斥區(qū)或臨界區(qū)，為了保證共享變量的正確性，synchronized標(biāo)示了臨界區(qū)。典型的用法如下：

Java代碼 
synchronized(鎖){  
     臨界區(qū)代碼  
}   

為了保證銀行賬戶的安全，可以操作賬戶的方法如下：

Java代碼 
public synchronized void add(int num) {  
     balance = balance + num;  
}  
public synchronized void withdraw(int num) {  
     balance = balance - num;  
}  

剛才不是說了synchronized的用法是這樣的嗎：

Java代碼 
synchronized(鎖){  
臨界區(qū)代碼  
}  

那么對于public synchronized void add(int num)這種情況，意味著什么呢？其實這種情況，鎖就是這個方法所在的對象。同理，如果方法是public static synchronized void add(int num)，那么鎖就是這個方法所在的class。
理論上，每個對象都可以做為鎖，但一個對象做為鎖時，應(yīng)該被多個線程共享，這樣才顯得有意義，在并發(fā)環(huán)境下，一個沒有共享的對象作為鎖是沒有意義的。假如有這樣的代碼：

Java代碼 
public class ThreadTest{  
  public void test(){  
     Object lock=new Object();  
     synchronized (lock){  
        //do something  
     }  
  }  
}  

lock變量作為一個鎖存在根本沒有意義，因為它根本不是共享對象，每個線程進來都會執(zhí)行Object lock=new Object();每個線程都有自己的lock，根本不存在鎖競爭。
        每個鎖對象都有兩個隊列，一個是就緒隊列，一個是阻塞隊列，就緒隊列存儲了將要獲得鎖的線程，阻塞隊列存儲了被阻塞的線程，當(dāng)一個被線程被喚醒(notify)后，才會進入到就緒隊列，等待cpu的調(diào)度。當(dāng)一開始線程a第一次執(zhí)行account.add方法時，jvm會檢查鎖對象account的就緒隊列是否已經(jīng)有線程在等待，如果有則表明account的鎖已經(jīng)被占用了，由于是第一次運行，account的就緒隊列為空，所以線程a獲得了鎖，執(zhí)行account.add方法。如果恰好在這個時候，線程b要執(zhí)行account.withdraw方法，因為線程a已經(jīng)獲得了鎖還沒有釋放，所以線程b要進入account的就緒隊列，等到得到鎖后才可以執(zhí)行。
一個線程執(zhí)行臨界區(qū)代碼過程如下：
1 獲得同步鎖
2 清空工作內(nèi)存
3 從主存拷貝變量副本到工作內(nèi)存
4 對這些變量計算
5 將變量從工作內(nèi)存寫回到主存
6 釋放鎖
可見，synchronized既保證了多線程的并發(fā)有序性，又保證了多線程的內(nèi)存可見性。

生產(chǎn)者/消費者模式
        生產(chǎn)者/消費者模式其實是一種很經(jīng)典的線程同步模型，很多時候，并不是光保證多個線程對某共享資源操作的互斥性就夠了，往往多個線程之間都是有協(xié)作的。
        假設(shè)有這樣一種情況，有一個桌子，桌子上面有一個盤子，盤子里只能放一顆雞蛋，A專門往盤子里放雞蛋，如果盤子里有雞蛋，則一直等到盤子里沒雞蛋，B專門從盤子里拿雞蛋，如果盤子里沒雞蛋，則等待直到盤子里有雞蛋。其實盤子就是一個互斥區(qū)，每次往盤子放雞蛋應(yīng)該都是互斥的，A的等待其實就是主動放棄鎖，B等待時還要提醒A放雞蛋。
如何讓線程主動釋放鎖
很簡單，調(diào)用鎖的wait()方法就好。wait方法是從Object來的，所以任意對象都有這個方法?？催@個代碼片段：

Java代碼 
Object lock=new Object();//聲明了一個對象作為鎖  
   synchronized (lock) {  
       balance = balance - num;  
       //這里放棄了同步鎖，好不容易得到，又放棄了  
       lock.wait();  
}  

如果一個線程獲得了鎖lock，進入了同步塊，執(zhí)行l(wèi)ock.wait()，那么這個線程會進入到lock的阻塞隊列。如果調(diào)用lock.notify()則會通知阻塞隊列的某個線程進入就緒隊列。
聲明一個盤子，只能放一個雞蛋

Java代碼 
import java.util.ArrayList;  
import java.util.List;  
  
public class Plate {  
  
    List<Object> eggs = new ArrayList<Object>();  
  
    public synchronized Object getEgg() {  
        if (eggs.size() == 0) {  
            try {  
                wait();  
            } catch (InterruptedException e) {  
            }  
        }  
  
        Object egg = eggs.get(0);  
        eggs.clear();// 清空盤子  
        notify();// 喚醒阻塞隊列的某線程到就緒隊列  
        System.out.println("拿到雞蛋");  
        return egg;  
    }  
  
    public synchronized void putEgg(Object egg) {  
        if (eggs.size() > 0) {  
            try {  
                wait();  
            } catch (InterruptedException e) {  
            }  
        }  
        eggs.add(egg);// 往盤子里放雞蛋  
        notify();// 喚醒阻塞隊列的某線程到就緒隊列  
        System.out.println("放入雞蛋");  
    }  
      
    static class AddThread extends Thread{  
        private Plate plate;  
        private Object egg=new Object();  
        public AddThread(Plate plate){  
            this.plate=plate;  
        }  
          
        public void run(){  
            for(int i=0;i<5;i++){  
                plate.putEgg(egg);  
            }  
        }  
    }  
      
    static class GetThread extends Thread{  
        private Plate plate;  
        public GetThread(Plate plate){  
            this.plate=plate;  
        }  
          
        public void run(){  
            for(int i=0;i<5;i++){  
                plate.getEgg();  
            }  
        }  
    }  
      
    public static void main(String args[]){  
        try {  
            Plate plate=new Plate();  
            Thread add=new Thread(new AddThread(plate));  
            Thread get=new Thread(new GetThread(plate));  
            add.start();  
            get.start();  
            add.join();  
            get.join();  
        } catch (InterruptedException e) {  
            e.printStackTrace();  
        }  
        System.out.println("測試結(jié)束");  
    }  
}  

執(zhí)行結(jié)果：

Html代碼 
放入雞蛋  
拿到雞蛋  
放入雞蛋  
拿到雞蛋  
放入雞蛋  
拿到雞蛋  
放入雞蛋  
拿到雞蛋  
放入雞蛋  
拿到雞蛋  
測試結(jié)束  

聲明一個Plate對象為plate，被線程A和線程B共享，A專門放雞蛋，B專門拿雞蛋。假設(shè)
1 開始，A調(diào)用plate.putEgg方法，此時eggs.size()為0，因此順利將雞蛋放到盤子，還執(zhí)行了notify()方法，喚醒鎖的阻塞隊列的線程，此時阻塞隊列還沒有線程。
2 又有一個A線程對象調(diào)用plate.putEgg方法，此時eggs.size()不為0，調(diào)用wait()方法，自己進入了鎖對象的阻塞隊列。
3 此時，來了一個B線程對象，調(diào)用plate.getEgg方法，eggs.size()不為0，順利的拿到了一個雞蛋，還執(zhí)行了notify()方法，喚醒鎖的阻塞隊列的線程，此時阻塞隊列有一個A線程對象，喚醒后，它進入到就緒隊列，就緒隊列也就它一個，因此馬上得到鎖，開始往盤子里放雞蛋，此時盤子是空的，因此放雞蛋成功。
4 假設(shè)接著來了線程A，就重復(fù)2；假設(shè)來料線程B，就重復(fù)3。
整個過程都保證了放雞蛋，拿雞蛋，放雞蛋，拿雞蛋。

volatile關(guān)鍵字
volatile是java提供的一種同步手段，只不過它是輕量級的同步，為什么這么說，因為volatile只能保證多線程的內(nèi)存可見性，不能保證多線程的執(zhí)行有序性。而最徹底的同步要保證有序性和可見性，例如synchronized。任何被volatile修飾的變量，都不拷貝副本到工作內(nèi)存，任何修改都及時寫在主存。因此對于Valatile修飾的變量的修改，所有線程馬上就能看到，但是volatile不能保證對變量的修改是有序的。什么意思呢？假如有這樣的代碼：

Java代碼 
public class VolatileTest{  
  public volatile int a;  
  public void add(int count){  
       a=a+count;  
  }  
}  

當(dāng)一個VolatileTest對象被多個線程共享，a的值不一定是正確的，因為a=a+count包含了好幾步操作，而此時多個線程的執(zhí)行是無序的，因為沒有任何機制來保證多個線程的執(zhí)行有序性和原子性。volatile存在的意義是，任何線程對a的修改，都會馬上被其他線程讀取到，因為直接操作主存，沒有線程對工作內(nèi)存和主存的同步。所以，volatile的使用場景是有限的，在有限的一些情形下可以使用 volatile 變量替代鎖。要使 volatile 變量提供理想的線程安全,必須同時滿足下面兩個條件:
1)對變量的寫操作不依賴于當(dāng)前值。
2)該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中
volatile只保證了可見性，所以Volatile適合直接賦值的場景，如

Java代碼 
public class VolatileTest{  
  public volatile int a;  
  public void setA(int a){  
      this.a=a;  
  }  
}  

在沒有volatile聲明時，多線程環(huán)境下，a的最終值不一定是正確的，因為this.a=a;涉及到給a賦值和將a同步回主存的步驟，這個順序可能被打亂。如果用volatile聲明了，讀取主存副本到工作內(nèi)存和同步a到主存的步驟，相當(dāng)于是一個原子操作。所以簡單來說，volatile適合這種場景：一個變量被多個線程共享，線程直接給這個變量賦值。這是一種很簡單的同步場景，這時候使用volatile的開銷將會非常小。

可能很多人都覺得莫名其妙，說JVM的內(nèi)存模型，怎么會扯到cpu上去呢？在此，我認為很有必要闡述下，免得很多人看得不明不白的。先拋開java虛擬機不談，我們都知道，現(xiàn)在的計算機，cpu在計算的時候，并不總是從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)，它的數(shù)據(jù)讀取順序優(yōu)先級是：寄存器－高速緩存－內(nèi)存。線程耗費的是CPU，線程計算的時候，原始的數(shù)據(jù)來自內(nèi)存，在計算過程中，有些數(shù)據(jù)可能被頻繁讀取，這些數(shù)據(jù)被存儲在寄存器和高速緩存中，當(dāng)線程計算完后，這些緩存的數(shù)據(jù)在適當(dāng)?shù)臅r候應(yīng)該寫回內(nèi)存。當(dāng)個多個線程同時讀寫某個內(nèi)存數(shù)據(jù)時，就會產(chǎn)生多線程并發(fā)問題，涉及到三個特性：原子性，有序性，可見性。在《線程安全總結(jié)》這篇文章中，為了理解方便，我把原子性和有序性統(tǒng)一叫做“多線程執(zhí)行有序性”。支持多線程的平臺都會面臨這種問題，運行在多線程平臺上支持多線程的語言應(yīng)該提供解決該問題的方案。

那么，我們看看JVM，JVM是一個虛擬的計算機，它也會面臨多線程并發(fā)問題，java程序運行在java虛擬機平臺上，java程序員不可能直接去控制底層線程對寄存器高速緩存內(nèi)存之間的同步，那么java從語法層面，應(yīng)該給開發(fā)人員提供一種解決方案，這個方案就是諸如 synchronized, volatile,鎖機制（如同步塊，就緒隊列，阻塞隊列）等等。這些方案只是語法層面的，但我們要從本質(zhì)上去理解它，不能僅僅知道一個 synchronized 可以保證同步就完了。 在這里我說的是jvm的內(nèi)存模型，是動態(tài)的，面向多線程并發(fā)的，沿襲JSL的“working memory”的說法，只是不想牽扯到太多底層細節(jié)，因為《線程安全總結(jié)》這篇文章意在說明怎樣從語法層面去理解java的線程同步，知道各個關(guān)鍵字的使用場景。

今天有人問我，那 java的線程不是有棧嗎？難道棧不是工作內(nèi)存嗎？工作內(nèi)存這四個字得放到具體的場景中描述，方能體現(xiàn)它具體的意義，在描述JVM的線程同步時，工作內(nèi)存指的是寄存器和告訴緩存的抽象描述，具體請自行參閱JLS。上面講的都是動態(tài)的內(nèi)存模型，甚至已經(jīng)超越了JVM的范圍，那么JVM的內(nèi)存靜態(tài)存儲是怎么劃分的？今天還有人問我，jvm的內(nèi)存模型不是有eden區(qū)嗎？也不見你提起。我跟他說，這是兩個角度去看的，甚至是兩個不同的范圍，動態(tài)的線程同步的內(nèi)存模型，涵蓋了cpu，寄存器，高速緩存，內(nèi)存；JVM的靜態(tài)內(nèi)存儲模型只是一種對內(nèi) 存的物理劃分而已，它只局限在內(nèi)存，而且只局限在JVM的內(nèi)存。那些什么線程棧，eden區(qū)都僅僅在JVM內(nèi)存。

說說JVM的線程棧和有個朋友反復(fù)跟我糾結(jié)的eden區(qū)吧。JVM的內(nèi)存，被劃分了很多的區(qū)域：

1.程序計數(shù)器
每一個Java線程都有一個程序計數(shù)器來用于保存程序執(zhí)行到當(dāng)前方法的哪一個指令。
2.線程棧
線程的每個方法被執(zhí)行的時候，都會同時創(chuàng)建一個幀（Frame）用于存儲本地變量表、操作棧、動態(tài)鏈接、方法出入口等信息。每一個方法的調(diào)用至完成，就意味著一個幀在VM棧中的入棧至出棧的過程。如果線程請求的棧深度大于虛擬機所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常；如果VM?？梢詣討B(tài)擴展（VM Spec中允許固定長度的VM棧），當(dāng)擴展時無法申請到足夠內(nèi)存則拋出OutOfMemoryError異常。
3.本地方法棧
4.堆
每個線程的棧都是該線程私有的，堆則是所有線程共享的。當(dāng)我們new一個對象時，該對象就被分配到了堆中。但是堆，并不是一個簡單的概念，堆區(qū)又劃分了很多區(qū)域，為什么堆劃分成這么多區(qū)域，這是為了JVM 的內(nèi)存垃圾收集，似乎越扯越遠了，扯到垃圾收集了，現(xiàn)在的jvm的gc都是按代收集，堆區(qū)大致被分為三大塊：新生代，舊生代，持久代（虛擬的）；新生代又分為eden區(qū)，s0區(qū)，s1區(qū)。新建一個對象時，基本小的對象，生命周期短的對象都會放在新生代的eden區(qū)中，eden區(qū)滿時，有一個小范圍的 gc（minor gc），整個新生代滿時，會有一個大范圍的gc（major gc），將新生代里的部分對象轉(zhuǎn)到舊生代里。
5. 方法區(qū)
其實就是永久代（Permanent Generation），方法區(qū)中存放了每個Class的結(jié)構(gòu)信息，包括常量池、字段描述、方法描述等等。VM Space描述中對這個區(qū)域的限制非常寬松，除了和Java堆一樣不需要連續(xù)的內(nèi)存，也可以選擇固定大小或者可擴展外，甚至可以選擇不實現(xiàn)垃圾收集。相對來說，垃圾收集行為在這個區(qū)域是相對比較少發(fā)生的，但并不是某些描述那樣永久代不會發(fā)生GC（至少對當(dāng)前主流的商業(yè)JVM實現(xiàn)來說是如此），這里的GC主要是對常量池的回收和對類的卸載，雖然回收的“成績”一般也比較差強人意，尤其是類卸載，條件相當(dāng)苛刻。
6.常量池
Class文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，還有一項信息是常量表(constant_pool table)，用于存放編譯期已可知的常量，這部分內(nèi)容將在類加載后進入方法區(qū)（永久代）存放。但是Java語言并不要求常量一定只有編譯期預(yù)置入 Class的常量表的內(nèi)容才能進入方法區(qū)常量池，運行期間也可將新內(nèi)容放入常量池（最典型的String.intern()方法）。

關(guān)于垃圾收集，在此不多說，流到垃圾收集那一章再詳細說吧。關(guān)于java的同步，其實還有基于 CPU原語的比較并交換的非阻塞算法（CAS），不過這個在java的并發(fā)包里已經(jīng)實現(xiàn)了很多，因此關(guān)于這點，就留到j(luò)ava并發(fā)包那一章介紹吧。后面我會專門寫一篇文章，JVM內(nèi)存與垃圾收集。