Java并发（一）：线程安全与不安全、volatile、synchronized

最近在研究Java并发，发现了一个不错的并发专题，分享给各位。在学习它之前，一直认为Java并发是个很晦涩难以理解的东西。一是因为它的概念多而抽象，如果要真正理解某些原理可能要牵扯到一些底层的东西；二是因为它不好复现错误，每次运行的结果都不一样，可能某个bug（如死锁）在运行多次程序都能正常执行，但程序就是错误的，不知道哪一次运行就错了。所以要更好地理解Java并发，还是应该从基础说起，只有夯实了基础才能更进一层。另外推荐给各位《Java并发编程实战》，老外写的，非常经典，从基础到进阶，介绍的很全面，唯一想吐槽的就是书中的例子不够多，希望在下一版中能够增加更多的例子，单纯地讲概念真的不容易理解。

言归正传。

线程安全？线程不安全？

当我们查看JDK API的时候，总会发现一些类说明写着，线程安全或者线程不安全，比如说StringBuilder中，有这么一句，“将StringBuilder 的实例用于多个线程是不安全的。如果需要这样的同步，则建议使用StringBuffer。 ”，那么下面手动创建一个线程不安全的类，然后在多线程中使用这个类，看看有什么效果。

//Count.java
public class Count {
private int num;
public void count() {
for(int i = 1; i <= 10; i++) {
num += i;
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-" + num);
}
}

在这个类中的count方法是计算1一直加到10的和，并输出当前线程名和总和，我们期望的是每个线程都会输出55。

//ThreadTest.java：
public class ThreadTest {
public static void main(String[] args) {
Runnable runnable = new Runnable() {
Count count = new Count();
public void run() {
count.count();
}
};
for(int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(runnable).start();
}
}
}

输出结果：

Thread-0-55
Thread-1-110
Thread-2-165
Thread-4-220
Thread-5-275
Thread-6-330
Thread-3-385
Thread-7-440
Thread-8-495
Thread-9-550

只有Thread-0线程输出的结果是我们期望的，而输出的是每次都累加的，这里累加的原因以后的博文会说明，那么要想得到我们期望的结果，有几种解决方案：

1、将Count中num变成count方法的局部变量：

public class Count {
public void count() {
int num = 0;
for(int i = 1; i <= 10; i++) {
num += i;
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-" + num);
}
}

2.、将线程类成员变量拿到run方法中，这时count引用是线程内的局部变量：

public class ThreadTest4 {
public static void main(String[] args) {
Runnable runnable = new Runnable() {
public void run() {
Count count = new Count();
count.count();
}
};
for(int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(runnable).start();
}
}
}

上述测试，我们发现，存在成员变量的类用于多线程时是不安全的，不安全体现在这个成员变量可能发生非原子性的操作，而变量定义在方法内也就是局部变量是线程安全的。所以，日常开发中，通常需要考虑成员变量或者说全局变量在多线程环境下，是否会引发一些问题。

volatile、synchronized

上节中通过一个简单的例子说明了线程安全与不安全，在例子中不安全的情况下输出的结果恰好是逐个递增的(其实是巧合，多运行几次，会产生不同的输出结果)，为什么会产生这样的结果呢，因为建立的Count对象是线程共享的，一个线程改变了其成员变量num值，下一个线程正巧读到了修改后的num，所以会递增输出。

要说明线程同步问题首先要说明Java线程的两个特性，可见性和有序性。多个线程之间是不能直接传递数据交互的，它们之间的交互只能通过共享变量来实现。拿上篇博文中的例子来说明，在多个线程之间共享了Count类的一个对象，这个对象是被创建在主内存(堆内存)中，每个线程都有自己的工作内存(线程栈)，工作内存存储了主内存Count对象的一个副本，当线程操作Count对象时，首先从主内存复制Count对象到工作内存中，然后执行代码count.count()，改变了num值，最后用工作内存Count刷新主内存Count。当一个对象在多个内存中都存在副本时，如果一个内存修改了共享变量，其它线程也应该能够看到被修改后的值，此为可见性。多个线程执行时，CPU对线程的调度是随机的，我们不知道当前程序被执行到哪步就切换到了下一个线程，一个最经典的例子就是银行汇款问题，一个银行账户存款100，这时一个人从该账户取10元，同时另一个人向该账户汇10元，那么余额应该还是100。那么此时可能发生这种情况，A线程负责取款，B线程负责汇款，A从主内存读到100，B从主内存读到100，A执行减10操作，并将数据刷新到主内存，这时主内存数据100-10=90，而B内存执行加10操作，并将数据刷新到主内存，最后主内存数据100+10=110，显然这是一个严重的问题，我们要保证A线程和B线程有序执行，先取款后汇款或者先汇款后取款，此为有序性。本文讲述了JDK5.0之前传统线程的同步方式，更高级的同步方式可参见后续文章。

下面同样用代码来展示一下线程同步问题。

TraditionalThreadSynchronized.java：创建两个线程，执行同一个对象的输出方法。

public class TraditionalThreadSynchronized {
public static void main(String[] args) {
final Outputter output = new Outputter();
new Thread() {
public void run() {
output.output("zhangsan");
}
}.start();
new Thread() {
public void run() {
output.output("lisi");
}
}.start();
}
}
class Outputter {
public void output(String name) {
// TODO 为了保证对name的输出不是一个原子操作，这里逐个输出name的每个字符
for(int i = 0; i < name.length(); i++) {
System.out.print(name.charAt(i));
// Thread.sleep(10);
}
}
}

运行结果：

zhlainsigsan

显然输出的字符串被打乱了，我们期望的输出结果是zhangsanlisi，这就是线程同步问题，我们希望output方法被一个线程完整的执行完之后再切换到下一个线程，Java中使用synchronized保证一段代码在多线程执行时是互斥的，有两种用法：

1、使用synchronized将需要互斥的代码包含起来，并上一把锁：

{
synchronized (this) {
for(int i = 0; i < name.length(); i++) {
System.out.print(name.charAt(i));
}
}
}

这把锁必须是需要互斥的多个线程间的共享对象，像下面的代码是没有意义的：

{
Object lock = new Object();
synchronized (lock) {
for(int i = 0; i < name.length(); i++) {
System.out.print(name.charAt(i));
}
}
}

每次进入output方法都会创建一个新的lock，这个锁显然每个线程都会创建，没有意义。

2、 将synchronized加在需要互斥的方法上。

public synchronized void output(String name) {
// TODO 线程输出方法
for(int i = 0; i < name.length(); i++) {
System.out.print(name.charAt(i));
}
}

这种方式就相当于用this锁住整个方法内的代码块，如果用synchronized加在静态方法上，就相当于用××××.class锁住整个方法内的代码块。

使用synchronized在某些情况下会造成死锁，死锁问题以后会说明。使用synchronized修饰的方法或者代码块可以看成是一个原子操作。

每个锁对象(JLS中叫monitor)都有两个队列，一个是就绪队列，一个是阻塞队列，就绪队列存储了将要获得锁的线程，阻塞队列存储了被阻塞的线程，当一个线程被唤醒(notify)后，才会进入到就绪队列，等待CPU的调度，反之，当一个线程被wait后，就会进入阻塞队列，等待下一次被唤醒，这个涉及到线程间的通信，下一篇博文会说明。看我们的例子，当第一个线程执行输出方法时，获得同步锁，执行输出方法，恰好此时第二个线程也要执行输出方法，但发现同步锁没有被释放，第二个线程就会进入就绪队列，等待锁被释放。一个线程执行互斥代码过程如下：

获得同步锁；

清空工作内存；

从主内存拷贝对象副本到工作内存；

执行代码(计算或者输出等)；

刷新主内存数据；

释放同步锁。

所以，synchronized既保证了多线程的并发有序性，又保证了多线程的内存可见性。

volatile是第二种Java多线程同步的机制，根据JLS(Java LanguageSpecifications)的说法，一个变量可以被volatile修饰，在这种情况下内存模型(主内存和线程工作内存)确保所有线程可以看到一致的变量值，来看一段代码：

class Test {
static int i = 0, j = 0;
static void one() {
i++;
j++;
}
static void two() {
System.out.println("i=" + i + " j=" + j);
}
}

class Test {
static int i = 0, j = 0;
static void one() {
i++;
j++;
}
static void two() {
System.out.println("i=" + i + " j=" + j);
}
}

一些线程执行one方法，另一些线程执行two方法，two方法有可能打印出j比i大的值，按照之前分析的线程执行过程分析一下：

将变量i从主内存拷贝到工作内存；

改变i的值；

刷新主内存数据；

将变量j从主内存拷贝到工作内存；

改变j的值；

刷新主内存数据；

这个时候执行two方法的线程先读取了主存i原来的值又读取了j改变后的值，这就导致了程序的输出不是我们预期的结果，要阻止这种不合理的行为的一种方式是在one方法和two方法前面加上synchronized修饰符：

class Test {
static int i = 0, j = 0;
static synchronized void one() {
i++;
j++;
}
static synchronized void two() {
System.out.println("i=" + i + " j=" + j);
}
}

根据前面的分析，我们可以知道，这时one方法和two方法再也不会并发的执行了，i和j的值在主内存中会一直保持一致，并且two方法输出的也是一致的。另一种同步的机制是在共享变量之前加上volatile：

class Test {
static volatile int i = 0, j = 0;
static void one() {
i++;
j++;
}
static void two() {
System.out.println("i=" + i + " j=" + j);
}
}

one方法和two方法还会并发的去执行，但是加上volatile可以将共享变量i和j的改变直接响应到主内存中，这样保证了主内存中i和j的值一致性，然而在执行two方法时，在two方法获取到i的值和获取到j的值中间的这段时间，one方法也许被执行了好多次，导致j的值会大于i的值。所以volatile可以保证内存可见性，不能保证并发有序性。

没有明白JLS中为什么使用两个变量来阐述volatile的工作原理，这样不是很好理解。volatile是一种弱的同步手段，相对于synchronized来说，某些情况下使用，可能效率更高，因为它不是阻塞的，尤其是读操作时，加与不加貌似没有影响，处理写操作的时候，可能消耗的性能更多些。但是volatile和synchronized性能的比较，我也说不太准，多线程本身就是比较玄的东西，依赖于CPU时间分片的调度，JVM更玄，还没有研究过虚拟机，从顶层往底层看往往是比较难看透的。在JDK5.0之前，如果没有参透volatile的使用场景，还是不要使用了，尽量用synchronized来处理同步问题，线程阻塞这玩意简单粗暴。另外volatile和final不能同时修饰一个字段，可以想想为什么。

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