Java線程安全以及線程安全的實現方式和內存模型（JMM）

一、了解幾個概念?

1）臨界區：

?臨界區指的是一個訪問共用資源（例如：共用設備或是共用存儲器）的程序片段，而這些共用資源又無法同時被多個線程訪問的特性。當有線程進入臨界區段時，其他線程或是進程必須等待，有一些同步的機制必須在臨界區段的進入點與離開點實現，以確保這些共用資源是被互斥獲得使用?

2）互斥量：

互斥量是一個可以處于兩態之一的變量：解鎖和加鎖。這樣，只需要一個二進制位表示它，不過實際上，常常使用一個整型量，0表示解鎖，而其他所有的值則表示加鎖。互斥量使用兩個過程。當一個線程（或進程）需要訪問臨界區時，它調用mutex_lock。如果該互斥量當前是解鎖的（即臨界區可用），此調用成功，調用線程可以自由進入該臨界區。
另一方面，如果該互斥量已經加鎖，調用線程被阻塞，直到在臨界區中的線程完成并調用mutex_unlock。如果多個線程被阻塞在該互斥量上，將隨機選擇一個線程并允許它獲得鎖。?

3）信號量：

信號量(Semaphore)，有時被稱為信號燈，是在多線程環境下使用的一種設施，是可以用來保證兩個或多個關鍵代碼段不被并發調用。在進入一個關鍵代碼段之前，線程必須獲取一個信號量；一旦該關鍵代碼段完成了，那么該線程必須釋放信號量。其它想進入該關鍵代碼段的線程必須等待直到第一個線程釋放信號量。為了完成這個過程，需要創建一個信號量VI，然后將Acquire Semaphore VI以及Release Semaphore VI分別放置在每個關鍵代碼段的首末端。確認這些信號量VI引用的是初始創建的信號量。?

4）CAS操作（Compare-and-Swap）：

CAS有3個操作數，內存值V，舊的預期值A，要修改的新值B。當且僅當預期值A和內存值V相同時，將內存值V修改為B

5）重排序：

編譯器和處理器”為了提高性能，而在程序執行時會對程序進行的重排序。它的出現是為了提高程序的并發度，從而提高性能！但是對于多線程程序，重排序可能會導致程序執行的結果不是我們需要的結果！重排序分為“編譯器”和“處理器”兩個方面，而“處理器”重排序又包括“指令級重排序”和“內存的重排序”

二、Java內存模型（JMM）

線程與內存交互操作如下?

所有的變量（實例字段，靜態字段，構成數組對象的元素，不包括局部變量和方法參數）都存儲在主內存中，每個線程有自己的工作內存，線程的工作內存保存被線程使用到變量的主內存副本拷貝。線程對變量的所有操作都必須在工作內存中進行，而不能直接讀寫主內存的變量。不同線程之間也不能直接訪問對方工作內存中的變量，線程間變量值的傳遞通過主內存來完成。
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1、Java內存模型定義了八種操作：

lock（鎖定）：作用于主內存的變量，它把一個變量標識為一個線程獨占的狀態；
unlock（解鎖）：作用于主內存的變量，它把一個處于鎖定狀態的變量釋放出來，釋放后的變量才可以被其他線程鎖定；
read（讀取）：作用于主內存的變量，它把一個變量的值從主內存傳送到線程中的工作內存，以便隨后的load動作使用；
load（載入）：作用于工作內存的變量，它把read操作從主內存中得到的變量值放入工作內存的變量副本中；
use（使用）：作用于工作內存的變量，它把工作內存中一個變量的值傳遞給執行引擎；
assign（賦值）：作用于工作內存的變量，它把一個從執行引擎接收到的值賦值給工作內存中的變量；
store（存儲）：作用于工作內存的變量，它把工作內存中的一個變量的值傳送到主內存中，以便隨后的write操作；
write（寫入）：作用于主內存的變量，它把store操作從工作內存中得到的變量的值寫入主內存的變量中。

2、volatile關鍵字作用：

1）、當寫一個volatile變量時，JMM會把該線程對應的本地內存中的共享變量值立即刷新到主內存中。
2）、當讀一個volatile變量時，JMM會把該線程對應的本地內存設置為無效，直接從主內存中讀取共享變量。
3）、禁止指令重排序優化。
4）、volatile關鍵字不能保證在多線程環境下對共享數據的操作的正確性。可以使用在自己狀態改變之后需要立即通知所有線程的情況下，也就是說volatile不能保證線程同步，Java語言提供了一種稍弱的同步機制，即volatile變量，用來確保將變量的更新操作通知到其他線程，這就是所謂的線程可見性，當把變量聲明為volatile類型后，編譯器與運行時都會注意到這個變量是共享的，因此不會將該變量上的操作與其他內存操作一起重排序。volatile變量不會被緩存在寄存器或者對其他處理器不可見的地方，因此在讀取volatile類型的變量時總會返回最新寫入的值，所以volatile具有可見性。對一個volatile變量的讀，總是能看到（任意線程）對這個volatile變量最后的寫入，然后synchronized也是具有可見性。

5）、volatile的原子性：對任意單個volatile變量的讀/寫具有原子性，但類似于volatile++這種復合操作不具有原子性，所以volatile能保證可見性，不能保證原子性。

理解volatile特性的一個好方法是：把對volatile變量的單個讀/寫，看成是使用同一個監視器鎖對這些單個讀/寫操作做了同步

class VolatileFeaturesExample {volatile long vl = 0L;  //使用volatile聲明64位的long型變量public void set(long l) {vl = l;   //單個volatile變量的寫}public void getAndIncrement () {vl++;    //復合（多個）volatile變量的讀/寫}public long get() {return vl;   //單個volatile變量的讀}
}

假設有多個線程分別調用上面程序的三個方法，這個程序在語意上和下面程序等價：

class VolatileFeaturesExample {long vl = 0L;               // 64位的long型普通變量public synchronized void set(long l) {     //對單個的普通 變量的寫用同一個監視器同步vl = l;}public void getAndIncrement () { //普通方法調用long temp = get();           //調用已同步的讀方法temp += 1L;                  //普通寫操作set(temp);                   //調用已同步的寫方法}public synchronized long get() { //對單個的普通變量的讀用同一個監視器同步return vl;}
}

3 volatile和synchronized區別?
1）、volatile僅能使用在變量級別；synchronized則可以使用在變量、方法和類級別；

2）、volatile讀數據直接從主存中讀取；synchronized則是鎖定當前變量，只有當前線程可以訪問該變量，其他線程被阻塞住。

3）、volatile能保證可見性，不能保證原子性；而synchronized則可以保證可見性和原子性；

4）、volatile不會造成線程的阻塞；synchronized可能會造成線程的阻塞。

5）、volatile標記的變量不會被編譯器優化進行指令重排列；synchronized標記的變量可以被編譯器優化進行指令重排列。

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三、JMM特性

1）、原子性

就是指該操作是不可再分的。不論是多核還是單核，具有原子性的量，同一時刻只能有一個線程來對它進行操作。簡而言之，在整個操作過程中不會被線程調度器中斷的操作，都可認為是原子性。比如 a = 1；

2）、可見性

可見性是指當一個線程修改了共享變量的值，其他線程能夠立即得知這個修改

3）、?有序性

Java內存模型中有序性可歸納為這樣一句話：如果在本線程內觀察，所有操作都是有序的，如果在一個線程中觀察另一個線程，所有操作都是無序的

是指對于單線程的執行代碼，執行是按順序依次進行的。但在多線程環境中，則可能出現亂序現象，因為在編譯過程會出現“指令重排”，重排后的指令與原指令的順序未必一致

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四、java中的線程安全等級

不可變：
可以是基本類型的final；可以是final對象，但對象的行為不會對其狀態產生任何影響，比如String的subString就是new一個String對象各種Number類型如BigInteger和BigDecimal等大數據類型都是不可變的，但是同為Number子類型的AtomicInteger和AtomicLong則并非不可變。原因與它里面狀態對象是unsafe對象有關，所做的操作都是CAS操作，可以保證原子性。

絕對線程安全：
不管運行時環境如何，調用者都不需要任何額外的同步措施。

相對線程安全：
這是我們通常意義上的線程安全。需要保證對象單獨的操作是線程安全的。比如Vector，HashTable，synchronizedCollection包裝集合等。

線程兼容：
對象本身不是線程安全的，但可以通過同步手段實現。一般我們說的不是線程安全的，絕大多數是指這個。比如ArrayList，HashMap等。

線程對立：
不管調用端是否采用了同步的措施，都無法在并發中使用的代碼。

五、線程安全的實現方式

要實現線程安全一般至少需要兩個特性：原子性和可見性

1）使用synchronize：它本具有原子性和可見性的，所以如果使用了synchronize修飾的操作，那么就自帶了可見性，synchronized使用悲觀鎖來實現線程安全

2）使用原子類代替基本數據類型，原子類是使用樂觀鎖來實現線程安全，多線程環境下執行a++，可以使用AtomicInteger類incrementAndGet()方法實現，同樣是使用了volatile來保證可見性；使用Unsafe調用native本地方法CAS，CAS采用總線加鎖或緩存加鎖方式來保證原子性。

3 )?使用volatile關鍵字,volatile不一定就有原子性，比如用volatile修飾的變量進行++或者--操作（num++）,我們需要讓volatile修飾的變量需要具有原子性，那么我們一般可以設置在boolean類型變量上，如下

volatile boolean tag = true;
線程1 while(tag){};
線程2 while(tag){};

如果有變量自增或者自減，我們可以使用原子類（AtomicInteger）

4）使用ThreadLocal對各個線程進行隔離

可以參考我的這篇博客：Java之ThreaLocal

5）我們還可以用其他的鎖，比如重入鎖（ReentrantLock）保證線程安全

6）我們還可以用臨界區、互斥量、信號量保證線程安全

參考文獻：

https://developer.51cto.com/art/201910/605093.htm

https://www.open-open.com/lib/view/open1459412319988.html

https://www.iteye.com/blog/smallbug-vip-2275743

https://juejin.im/post/5c936018f265da60ec281bcb

https://blog.csdn.net/jingzi123456789/article/details/78004074