【Java并发】线程安全性

线程安全性

定义：当多个线程访问某个类时，不管运行时环境采用何种调度方式或者这些线程将如何交替执行，并且在主调代码中不需要任何额外的同步或协同，这个类都能表现出正确的行为，那么就称这个类是线程安全的。

线程安全性主要体现在三个方面：原子性、可见性、有序性：

• 原子性：提供了互斥访问，同一时刻只能有一个线程来对它进行操作
• 可见性：一个线程对主内存的修改可以及时地被其他线程观察到
• 有序性：一个线程观察其他线程中的指令执行顺序，由于指令重排序的存在，该观察结果一般杂乱无序

原子性

原子性在 JDK 中主要由两个方面体现出来：

Atomic

一个是 JDK 中已经提供好的 Atomic 包，它们均使用了 CAS 完成线程的原子性操作（详见【Java并发】浅析 AtomicLong & LongAdder）。

另一个是使用锁的机制来处理线程之间的原子性。锁主要包括：synchronized、lock。

synchronized

依赖于 JVM 去实现锁，因此在这个关键字作用对象的作用范围内，都是同一时刻只能有一个线程对其进行操作的。synchronized 是 Java 中的一个关键字，是一种同步锁。它可以修饰的对象主要有四种：

• 修饰代码块：大括号括起来的代码，作用于调用的对象
• 修饰方法：整个方法，作用于调用的对象
• 修饰静态方法：整个静态方法，作用于所有对象
• 修饰类：括号括起来的部分，作用于所有对象

注意：如果当前类是一个父类，子类调用父类的被 synchronized 修饰的方法，不会携带 synchronized 属性，因为 synchronized 不属于方法声明的一部分。

Lock

首先要说明的就是 Lock，通过查看 Lock 的源码可知，Lock 是一个接口。ReentrantLock 是唯一实现了 Lock 接口的类，意思是“可重入锁”，并且 ReentrantLock 提供了更多的方法。

public interface Lock {
    void lock();
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    boolean tryLock();
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    void unlock();
    Condition newCondition();
}

锁的分类

• 可重入锁

  • synchronized / ReentrantLock

• 可中断锁

  • synchronized 不可中断，Lock 可中断

• 公平锁

  • synchronized 非公平锁
  • ReentrantLock 和 ReentrantReadWriteLock 默认情况下非公平锁，可设置为公平锁

• 读写锁

  • ReadWriteLock / ReentrantReadWriteLock

可见性

导致共享变量在线程间不可见的原因：

• 线程交叉执行
• 重排序结合线程交叉执行
• 共享变量更新后的值没有在工作内存与主存间及时更新

JVM 对于可见性，提供了 synchronized 和 volatile：

synchronized

JMM 关于 synchronized 的两条规定：

• 线程解锁前，必须把共享变量的最新值刷新到主内存
• 线程加锁时，将清空工作内存中共享变量的值，从而使用共享变量时需要从主内存中重新读取最新的值（注意：加锁与解锁是同一把锁）

volatile

volatile 的方式是：通过加入内存屏障和禁止重排序优化来实现。

• 对 volatile 变量写操作时，会在写操作后加入一条 store 屏障指令，将本地内存中的共享变量值刷新到主内存。
• 对 volatile 变量读操作时，会在读操作前加入一条 load 屏障指令，从主内存中读取共享变量。
• volatile的屏障操作都是 cpu 级别的；适合状态验证，不适合累加值，volatile关键字不具有原子性。
• 适合状态验证，不适合累加值，volatile关键字不具有原子性

有序性

Java 内存模型中，允许编译器和处理器对指令进行重排序，但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。而 Java 提供了 volatile、synchronized、Lock，它们可以用来保证有序性。

另外，Java 内存模型具备一些先天的有序性，即不需要任何手段就能得到保证的有序性。通常被我们称为happens-before 原则（先行发生原则）。如果两个线程的执行顺序无法从 happens-before 原则推导出来，那么就不能保证它们的有序性，虚拟机就可以对它们进行重排序。

【以下规则摘抄自《深入理解Java虚拟机》】

• 程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作
• 锁定规则：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作
• volatile变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作（重要）
• 传递规则：如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生于操作C
• 线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作
• 线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生
• 线程终结规则：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行

思维导图

笔记整理自：【IMOOC】Java并发编程与高并发解决方案