Java线程安全总结

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Java 多线程 JVM 工作 thread

转自：http://jameswxx.iteye.com/blog/806968

本文主要内容：
1.什么是可见性
2.什么是有序性
3.多线程情况下如何保证可见性和有序性
4.synchronized关键字和volatile关键字介绍

浅谈java内存模型
不同的平台，内存模型是不一样的，但是jvm的内存模型规范是统一的。其实java的多线程并发问题最终都会反映在java的内存模型上，所谓线程安全无非是要控制多个线程对某个资源的有序访问或修改。总结java的内存模型，要解决两个主要的问题：可见性和有序性。我们都知道计算机有高速缓存的存在，处理器并不是每次处理数据都是取内存的。JVM定义了自己的内存模型，屏蔽了底层平台内存管理细节，对于java开发人员，要清楚在jvm内存模型的基础上，如果解决多线程的可见性和有序性。
那么，何谓可见性？多个线程之间是不能互相传递数据通信的，它们之间的沟通只能通过共享变量来进行。Java内存模型（JMM）规定了jvm有主内存，主内存是多个线程共享的。当new一个对象的时候，也是被分配在主内存中，每个线程都有自己的工作内存，工作内存存储了主存的某些对象的副本，当然线程的工作内存大小是有限制的。当线程操作某个对象时，执行顺序如下：
(1) 从主存复制变量到当前工作内存 (read and load)
(2) 执行代码，改变共享变量值 (use and assign)
(3) 用工作内存数据刷新主存相关内容 (store and write)

JVM规范定义了线程对主存的操作指令：read，load，use，assign，store，write。当一个共享变量在多个线程的工作内存中都有副本时，如果一个线程修改了这个共享变量，那么其他线程应该能够看到这个被修改后的值，这就是多线程的可见性问题。
那么，什么是有序性呢？线程在引用变量时不能直接从主内存中引用,如果线程工作内存中没有该变量,则会从主内存中拷贝一个副本到工作内存中,这个过程为read-load,完成后线程会引用该副本。当同一线程再度引用该字段时,有可能重新从主存中获取变量副本(read-load-use),也有可能直接引用原来的副本(use),也就是说 read,load,use顺序可以由JVM实现系统决定。
线程不能直接为主存中中字段赋值，它会将值指定给工作内存中的变量副本(assign),完成后这个变量副本会同步到主存储区(store-write)，至于何时同步过去，根据JVM实现系统决定.有该字段,则会从主内存中将该字段赋值到工作内存中,这个过程为read-load,完成后线程会引用该变量副本，当同一线程多次重复对字段赋值时,比如：

Java代码  


for(int i=0;i<10;i++)  
 a++;  

线程有可能只对工作内存中的副本进行赋值,只到最后一次赋值后才同步到主存储区，所以assign,store,weite顺序可以由JVM实现系统决定。假设有一个共享变量x，线程a执行x=x+1。从上面的描述中可以知道x=x+1并不是一个原子操作，它的执行过程如下：

1 从主存中读取变量x副本到工作内存
2 给x加1
3 将x加1后的值写回主存
如果另外一个线程b执行x=x-1，执行过程如下：
1 从主存中读取变量x副本到工作内存
2 给x减1
3 将x减1后的值写回主存
那么显然，最终的x的值是不可靠的。假设x现在为10，线程a加1，线程b减1，从表面上看，似乎最终x还是为10，但是多线程情况下会有这种情况发生：
1：线程a从主存读取x副本到工作内存，工作内存中x值为10
2：线程b从主存读取x副本到工作内存，工作内存中x值为10
3：线程a将工作内存中x加1，工作内存中x值为11
4：线程a将x提交主存中，主存中x为11
5：线程b将工作内存中x值减1，工作内存中x值为9
6：线程b将x提交到中主存中，主存中x为9
同样，x有可能为11，如果x是一个银行账户，线程a存款，线程b扣款，显然这样是有严重问题的，要解决这个问题，必须保证线程a和线程b是有序执行的，并且每个线程执行的加1或减1是一个原子操作。看看下面代码：

Java代码  


public class Account {  
  
    private int balance;  
  
    public Account(int balance) {  
        this.balance = balance;  
    }  
  
    public int getBalance() {  
        return balance;  
    }  
  
    public void add(int num) {  
        balance = balance + num;  
    }  
  
    public void withdraw(int num) {  
        balance = balance - num;  
    }  
  
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
        Account account = new Account(1000);  
        Thread a = new Thread(new AddThread(account, 20), "add");  
        Thread b = new Thread(new WithdrawThread(account, 20), "withdraw");  
        a.start();  
        b.start();  
        a.join();  
        b.join();  
        System.out.println(account.getBalance());  
    }  
  
    static class AddThread implements Runnable {  
        Account account;  
        int     amount;  
  
        public AddThread(Account account, int amount) {  
            this.account = account;  
            this.amount = amount;  
        }  
  
        public void run() {  
            for (int i = 0; i < 200000; i++) {  
                account.add(amount);  
            }  
        }  
    }  
  
    static class WithdrawThread implements Runnable {  
        Account account;  
        int     amount;  
  
        public WithdrawThread(Account account, int amount) {  
            this.account = account;  
            this.amount = amount;  
        }  
  
        public void run() {  
            for (int i = 0; i < 100000; i++) {  
                account.withdraw(amount);  
            }  
        }  
    }  
}  

第一次执行结果为10200，第二次执行结果为1060，每次执行的结果都是不确定的，因为线程的执行顺序是不可预见的。这是java同步产生的根源，synchronized关键字保证了多个线程对于同步块是互斥的，synchronized作为一种同步手段，解决java多线程的执行有序性和内存可见性，而volatile关键字之解决多线程的内存可见性问题。后面将会详细介绍。

synchronized关键字
上面说了，java用synchronized关键字做为多线程并发环境的执行有序性的保证手段之一。当一段代码会修改共享变量，这一段代码成为互斥区或临界区，为了保证共享变量的正确性，synchronized标示了临界区。典型的用法如下：

Java代码  


synchronized(锁){  
     临界区代码  
}   

为了保证银行账户的安全，可以操作账户的方法如下：

Java代码  

public synchronized void add(int num) {  
margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 38px;

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      探索设计模式--单例模式
      |
      23种设计模式的形象比喻
    
    2011-01-30 13:39
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