Java安全執行緒，java線程

Java安全執行緒，java線程

　　最近做筆試題，遇到了不少關於安全執行緒的題目，比如：

　　synchronized和volatile的區別是什嗎？

　　StringBuilder和StringBuffer的區別是什嗎？

　　HashMap和HashTable的區別是什嗎？等等......

　　這些問題的答案涉及到的，就是關於安全執行緒問題。首先先要對安全執行緒有個概念，怎樣才叫安全執行緒。

安全執行緒和線程不安全：

　　安全執行緒指的是多個線程並發執行的時候，當一個線程訪問該類的某個資料的時候，通過加鎖的機制，保護資料，直至當前線程讀取完，釋放鎖後，其他線程才能繼續使用，我們認為這樣是安全執行緒的。

　　有安全執行緒，自然就有線程不安全，線程不安全指的是，多個線程並發執行的時候，資料沒有得到保護，可能會出現多個線程修改或使用某個資料，導致所得到的資料不正確，也就是髒資料。

 

　　瞭解完基本概念後，接下來要引用某大神從Java記憶體模型和線程同步機制方面來描述線程的安全性。

Java記憶體模型

　　不同的平台，記憶體模型是不一樣的，但是jvm的記憶體模型規範是統一的。其實java的多線程並發問題最終都會反映在java的記憶體模型上，所謂安全執行緒無 非是要控制多個線程對某個資源的有序訪問或修改。總結java的記憶體模型，要解決兩個主要的問題：可見度和有序性。　

　　可見度： 多個線程之間是不能互相傳遞資料通訊的，它們之間的溝通只能通過共用變數來進行。Java記憶體模型（JMM）規定了jvm有主記憶體，主記憶體是多個線程共用 的。當new一個對象的時候，也是被分配在主記憶體中，每個線程都有自己的工作記憶體，工作記憶體儲存了主存的某些對象的副本，當然線程的工作記憶體大小是有限制 的。當線程操作某個對象時，執行順序如下：

 (1) 從主存複製變數到當前工作記憶體 (read and load)
 (2) 執行代碼，改變共用變數值 (use and assign)
 (3) 用工作記憶體資料重新整理主存相關內容 (store and write)

　　當一個共用變數在多個線程的工作記憶體中都有副本時，如果一個線程修改了這個共用 變數，那麼其他線程應該能夠看到這個被修改後的值，這就是多線程的可見度問題。
　　有序性：線程在引用變數時不能直接從主記憶體中引用,如果線程工作記憶體中沒有該變數,則會從主記憶體中拷貝一個副本到工作記憶體中，完成後線程會引用該副本。當同一線程再度引用該欄位時,有可能重新從主存中擷取變數副本(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實現系統決定。
        線程不能直接為主存中欄位賦值，它會將值指定給工作記憶體中的變數副本(assign),完成後這個變數副本會同步到主儲存區(store- write)，至於何時同步過去，根據JVM實現系統決定.有該欄位,則會從主記憶體中將該欄位賦值到工作記憶體中,這個過程為read-load,完成後線 程會引用該變數副本。

　　舉個例子1，現有一變數x=10，a線程執行x=x+1操作，b線程執行x=x-1操作，倆線程同時啟動並執行時候，x的值是不確定的，有可能為9，也有可能為11，這就是多線程並發執行的順序是不可預見導致的，所以要使安全執行緒，要保證a線程和b線程的有序執行，且執行的操作必須為原子操作。

　　原子操作：在多線程訪問共用資源時，能夠確保所有其他的進程（線程）都不在同一時間內訪問相同的資源。原子操作（atomic operation）是不需要synchronized，這是Java多線程編程的老生常談了。所謂原子操作是指不會被線程調度機制打斷的操作；這種操作一旦開始，就一直運行到結束，中間不會有任何 context switch （切換到另一個線程）。

 

那麼如何確保線程執行的有序性和可見度呢？

synchronized關鍵字

　　synchronized關鍵字可以解決有序性和可見度的問題，它保證了多個線程之間是互斥的，當一段代碼會修改共用變數，這一段代碼成為互斥區或 臨界區，為了保證共用變數的正確性，synchronized標示了臨界區。

　　常用用法：

Java代碼　　

synchronized(lock) {臨界區代碼}//例如：public synchronized void method() {}public static synchronized void method() {}

　　無論synchronized關鍵字是加在方法還是對象中，都是取對象當作鎖，理論上每個對象都可以是一個鎖。

　　對於public synchronized void method()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 method()，那麼鎖就是這個方法所在的class。

　　synchronized關鍵字有兩種鎖對象，一種是對象加鎖，另一種是對類加鎖，對類加鎖，則類鎖對類裡的所有對象都起作用，而對象鎖只是針對該類的一個指定的對象加鎖，這個類的其它對象仍然可以使用已經對前一個對象加鎖的synchronized方法。

　　例如：車站只剩一張票，A業務員和B業務員同時出票，執行public synchronized void sell()方法，那麼結果就會出現，剩餘票數為（-1）的情況，這就是對象鎖導致的問題，其他對象仍然可以使用這個方法；

　　當把sell方法加上static後，鎖的對象就是這個類，對於A業務員和B業務員來說，都要按順序來操作業務，這樣就不會出現剩餘票數為負數的輕卡UN個了。

　　當一個對象是鎖的時候，應該要被多個線程共用才是有意義的。這也得出一個結論：非安全執行緒！=不安全。
　　比如ArrayList就是線程不安全的，但是並非說多線程情況下就不用ArrayList，如果你的每一個線程都new了一個ArrayList對象，也就是對象是非共用的，線程之間不存在資源競爭，那麼多線程執行的時候也是沒有安全問題的。

　　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，就緒佇列儲存體了將要獲得鎖的線程，阻塞佇列儲存體了被阻塞的線程，當一個線程被喚醒 後，才會進入到就緒隊列，等待cpu的調度。

　　一個線程執行臨界區代碼過程如下：
　　1 獲得同步鎖
　　2 清空工作記憶體
　　3 從主存拷貝變數副本到工作記憶體
　　4 對這些變數計算
　　5 將變數從工作記憶體寫回到主存
　　6 釋放鎖
　　可見，synchronized既保證了多線程的並發有序性，又保證了多線程的記憶體可見度。

　　生產者/消費者模式就是典型的同步鎖問題，多線程執行過程除了操作是互斥的以外，往往也會出現線程之間互相協作的情況。

　　比方說，A機器人負責造車子，造好了車子，就放在倉庫裡，倉庫每次只能放一輛車。

　　（1）起初，A機器人被運行，執行造車子make方法，造好了車子放在倉庫後，沒有馬上關機（釋放鎖），而是喚醒了（notify）準備上班的（阻塞隊列）B機器人，自己再下班（進入阻塞隊列）

　　（2）B機器人獲得同步鎖，上班，開始把造好的車子運出倉庫拿去出售，車子運出去後，它也沒有馬上溜了，而是喚醒了剛下班的A機器人繼續造車子（赤裸裸的剝削，我也要賣車子）。

　　（3）A機器人發現倉庫的車子被運走了，接到任務就只能繼續開始造車子，造好車子把B機器人叫回來。

　　（4）B機器人賣車子，叫醒A機器人造車子。

　　。。。。。。

　　可以看出，在同步鎖的作用下，造車子，賣車子，造車子，賣車子可以有序的進行，很愉快。

 

接下來要說的是另外一個關鍵字：volatile

volatile關鍵字

　　volatile同樣也是Java同步的一種方法，只不過和synchronized鎖相比，稍弱了點，它只能保證多線程執行的可見度，可不能保證有序性。

　　它的原理是不需要從主記憶體中複製一份副本到工作記憶體，而是直接對主記憶體的資料進行修改，這樣，其他線程都能立馬看到資料的修改。因此，volatile的使用範圍要臂synchronized小，常用於直接賦值的情況，諸如例子1的情況就是不適用的。

 

最後需要注意的是，synchronized鎖雖好，但是不能多用，會影響執行效率，阻塞隊列的線程也會不斷地嘗試擷取鎖，消耗效能。