一篇文章看懂Java并发和线程安全

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一、前言

长久以来，一直想剖析一下Java线程安全的本质，但是苦于有些微观的点想不明白，便搁置了下来，前段时间慢慢想明白了，便把所有的点串联起来，趁着思路清晰，整理成这样一篇文章。

二、导读

1、为什么有多线程？

2、线程安全描述的本质问题是什么？

3、Java内存模型(JMM)数据可见性问题、指令重排序、内存屏障

三、揭晓答案

1、为什么有多线程

谈到多线程，我们很容易与高性能画上等号，但是并非如此，举个简单的例子，从1加到100，用四个线程计算不一定比一个线程来得快。因为线程的创建和上下文切换，是一笔巨大的开销。

那么设计多线程的初衷是什么呢？来看一个这样的实际例子，计算机通常需要与人来交互，假设计算机只有一个线程，并且这个线程在等待用户的输入，那么在等待的过程中，CPU什么事情也做不了，只能等待，造成CPU的利用率很低。如果设计成多线程，在CPU在等待资源的过程中，可以切到其他的线程上去，提高CPU利用率。

现代处理器大多含有多个CPU核心，那么对于运算量大任务，可以用多线程的方式拆解成多个小任务并发的执行，提高计算的效率。

总结起来无非两点，提高CPU的利用率、提高计算效率。

2、线程安全的本质

我们先来看一个例子：

public class Add {
    private int count = 0;

    public static void main(String[] args) {
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(4);
        Add add = new Add();
        add.doAdd(countDownLatch);
        try {
            countDownLatch.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(add.getCount());

    }
    public void doAdd(CountDownLatch countDownLatch) {
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    for (int j = 0; j < 25; j++) {
                        count++;
                    }
                    countDownLatch.countDown();
                }
            }).start();
        }
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }

}
上面是一个把变量自增100次的例子，只不过用了4个线程，每个线程自增25次，用CountDownLatch等4个线程执行完，打印出最终结果。实际上，我们希望程序的结果是100，但是打印出来的结果并非总是100。

这就引出了线程安全所描述的问题，我们先用通俗的话来描述一下线程安全：

线程安全就是要让程序运行出我们想要的结果，或者话句话说，让程序像我们看到的那样执行。

解释一下我总结的这句话，我们先new出了一个add对象，调用了对象的doAdd方法，本来我们希望每个线程有序的自增25次，最终得到正确的结果。如果程序增的像我们预先设定的那样运行，那么这个对象就是线程安全的。

下面我们来看看Brian Goetz对线程安全的描述：当多线程访问一个对象时，如果不用考虑这些线程在运行时环境下的调度和交替，也不需要进行额外的同步，或者在调用方进行任何其他的协调操作，调用这个对象的行为都可以获得正确的结果，那么这个对象就是线程安全的。

下面我们就来分析这段代码为什么不能确保总是得到正确的结果。

3、Java内存模型(JMM)数据可见性问题、指令重排序、内存屏障

先从计算机的硬件效率说起，CPU的计算速度比内存快几个数量级，为了平衡CPU和内存之间的矛盾，引入的高速缓存，每个CPU都有高速缓存，甚至是多级缓存L1、L2和L3，那么缓存与内存的交互需要缓存一致性协议，这里就不深入讲解。那么最终处理器、高速缓存、主内存的交互关系如下：

那么Java的内存模型（Java Memory Model，简称JMM）也定义了线程、工作内存、主内存之间的关系，非常类似于硬件方面的定义。

这里顺带提一下，Java虚拟机运行时内存的区域划分

方法区：存储类信息、常量、静态变量等，各线程共享

虚拟机栈：每个方法的执行都会创建栈帧，用于存储局部变量、操作数栈、动态链接等，虚拟机栈主要存储这些信息，线程私有

本地方法栈：虚拟机使用到的Native方法服务，例如c程序等，线程私有

程序计数器：记录程序运行到哪一行了，相当于当前线程字节码的行号计数器，线程私有

堆：new出的实例对象都存储在这个区域，是GC的主战场，线程共享。

所以对于JMM定义的主内存，大部分时候可以对应堆内存、方法区等线程共享的区域，这里只是概念上对应，其实程序计数器、虚拟机栈等也有部分是放在主内存的，具体看虚拟机的设计。

好了，了解了JMM内存模型，我们来分析一下，上面的程序为什么没得到正确的结果。请看下图，线程A、B同时去读取主内存的count初始值存放在各自的工作内存里，同时执行了自增操作，写回主内存，最终得到了错误的结果。

我们再来深入分析一下，造成这个错误的本质原因：

（1）、可见性，工作内存的最新值不知道什么时候会写回主内存

（2）、有序性，线程之间必须是有序的访问共享变量，我们用“视界”这个概念来描述一下这个过程，以B线程的视角看，当他看到A线程运算好之后，把值写回之内存之后，马上去读取最新的值来做运算。A线程也应该是看到B运算完之后，马上去读取，在做运算，这样就得到了正确的结果。

接下来，我们来具体分析一下，为什么要从可见性和有序性两个方面来限定。

给count加上volatile关键字，就保证了可见性。

private volatile int count = 0;
volatile关键字，会在最终编译出来的指令上加上lock前缀，lock前缀的指令做三件事情

（1）、防止指令重排序（这里对本问题的分析不重要，后面会详细来讲）

（2）、锁住总线或者使用锁定缓存来保证执行的原子性，早期的处理可能用锁定总线的方式，这样其他处理器没办法通过总线访问内存，开销比较大，现在的处理器都是用锁定缓存的方式，在配合缓存一致性来解决。

（3）、把缓冲区的所有数据都写回主内存，并保证其他处理器缓存的该变量失效

既然保证了可见性，加上了volatile关键词，为什么还是无法得到正确的结果，原因是count++，并非原子操作，count++等效于如下步骤：

（1）、 从主内存中读取count赋值给线程副本变量：

       temp=count
（2）、线程副本变量加1

       temp=temp+1
（3）、线程副本变量写回主内存

        count=temp
就算是真的严苛的给总线加锁，导致同一时刻，只能有一个处理器访问到count变量，但是在执行第（2）步操作时，其他cpu已经可以访问count变量，此时最新运算结果还没刷回主内存，造成了错误的结果，所以必须保证顺序性。

那么保证顺序性的本质，就是保证同一时刻只有一个CPU可以执行临界区代码。这时候做法通常是加锁，锁本质是分两种：悲观锁和乐观锁。如典型的悲观锁synchronized、JUC包下面典型的乐观锁ReentrantLock。

总结一下：要保证线程安全，必须保证两点：共享变量的可见性、临界区代码访问的顺序性。
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