多线程(三)--线程安全与锁

 一、引言：

        JAVA 是一个多线程并发的语言，现在只要有点经验的JAVA程序员，对于多线程、并发等词汇相信并不陌生，但是对于具体的运行原理，很多也都没深入，这里我也分享一部分自己的经验，主要对于线程安全以及锁的一些机制原理，进行介绍。关于线程的基本知识点，前面也说过了，可以了解一下。

 

1.1 什么是线程安全？

      这里我借“JAVA 并发实践”里面的话：当多个线程访问一个对象，如果不考虑这些线程在运行时环境下的调度和交替执行，也不需要额外的同步，或者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，那么这个对象是线程安全的。

      我的理解：多线程访问一个对象，任何情况下，都能保持正确行为，就是对象就是安全的。

      线程安全有强弱划分，分为5类：

      a.不可变

      不可变的对象的，也就是被声明成fianl的对象，只要被正确构建出来，在不发现this逃逸的情况下，其外部状态永远不会改变，永远不会看到多个线程中处于不一致的状态。也就是说所有对象的共享变量都声明成final ，那么就是安全的。

     

       b.绝对线程安全

        在某些情况下，我们希望我们的程序能在任何情况下都是安全的，比如加了final 类型的基本类型变量，这里可以认为是的，但是这种不可变的变量没有太大意义。而像StringBulider 类似的变量，即使加了final 类型，也不能认为是线程绝对安全，final 只能保证地址值不动。

   

       c.线程相对安全

         这里的相对安全比如我们了解的vector,StirngBuffer 等线程安全的类，也许vector 类的所有操作我们都加上内部锁，但是在使用过程中比如：声明一个 vector 的变量，然后A,B 线程并发操作它。假设A线程在增加元素，B线程在遍历获取元素，那么就会出现错误(元素个数不对)，因此线程安全性更多的表现为对同一操作的正确执行安全，也是相对的安全。

 

       d.线程兼容

          简单的说就是，这个类本人不是线程安全的，但那时可以使用一些为外部手段，使其完成我们的线程安全。比如ArrayList,HashMap 本身不是线程安全的，但是如果你使用Collections.synchronizedList（Map）就可以达到安全效果，其实现原理很简单，就是对List 或者Map 进行封转，对其主要方法都加上内部锁，相当于集成一个List（Map），全部重写方法加上锁，调用父类执行体。具体的这里不深究。

 

      e.线程对立

        简单的说无论我们是否采用了线程安全的机制（比如加锁），或者其他同步措施，都不能保证多线程并发是安全的。比如Thread 的supend()和resume()方法，一个线程去中断线程，另一个线程去恢复线程。那么并发就容易产生死锁，这里两个方法也就废弃了。其他例子暂时不举了。

 

二、原子性操作

       当我们决定完成一个任务，通常情况下，在计算机中，看似很简单的任务也是有多个不同的步骤共同完成。该步骤是由cpu 的 一些指令完成的。比如我们常见的 i ++ ；这是一个非原子性操作，因为它先.从内存取出i的值，然后再增1，最后再写入内存中，经过三个步骤完成，如果在中间一个步骤被其他线程影响了，那么就可能出现错误。

      举个实际例子：我想完成过安检的过程，我会先取下包，然后放在检验机上，我走过去，然后等待通过检查，最后拿回来。但是实际过程发现有小偷在我将包放到检测机上，还没有进入检查过程中，被拿走了，然后我走过去，发现我的包没过来...这个悲剧的问题就发生了！

      那么如何完成原子性操作呢？

 

三、锁

       3.1 互斥同步

       互斥同步是我们最基本的保障并发安全的一种手段，比如刚才的例子，假设我通过安检这个过程，是不允许其他人接触或者靠近的，有一道独立的空间，也就是说我去通过检查的的行为和小偷接近我，偷我包的行为是互斥的，那么我的行为就很安全的完成了。

       互斥最简单的手段是synchronized 关键字，synchronized 关键字在通过编译之后，会在同步块前后分别形成monitorentor 和 monitorexit 两个字节码指令，这个两个指令都需要一个reference 类型来指明要锁定和解锁的对象，如果synchnronized 明确指定了对象参数，那就是这个对象的reference ，如果没有指明，那么就根据synchronied 修饰的是实例方法还是类方法，然后取对应对象的实例或者Class对象那个作为锁对象。

 

     3.2  synchronizd 工作原理

            Java 线程在执行到synchronied 的时候，会形成两个字节码指令，这里相当于是一个监视器(monitor)，监控synchronized 保护的区域，监视器会设置几种状态用来区分请求线程：

             Contention List : 所有请求的线程将被首先放置到该竞争队列

             Entry List： Contention List 的那些有资格成为候选人的线程会被移到Entry List

             Wait Set：那些调用wait 方法被阻塞的线程被放置到这里

             OnDeck ：任何时刻最多有一个线程正竞争锁，该线程称为OnDeck

             Owner :获得所的线程叫Owner

             !Owner :释放锁的线程

             下面是状态的转换关系：

             

 

我们知道，并发会引起竞争，那么上图更详细的描述了整个过程，我这里以我和小明和小强一起去上飞机为例子，假设所有通道唯一。

1.我们一起打车来到飞机场，相当于进入了Contention List 

2.然后我们准备去买票柜台（Entry List），但是还没到

3.这是小明发现身份证没带，打电话叫他妈妈送过来，他就只能等待，进入(WaitSet).

4.然后我和小明一起到柜台，如果柜台没有人，那么我们就去(Entry List) 买票。

5.这时候到我和小强一起跑到柜台，但是谁先买，得看OnDesk 的，相当于选择权在她手里，这里的竞争机制    是随机的，也就是说OnDesk 看谁顺眼，谁就能买。（当然大家现实都很文明排队～.～）

6.假设我得到的优先权，那么我就是Owner，只有我买票成功了，才有资格说OK。因为OnDesk 必然会问还 

   还有什么需要帮助的吗？这时候的决定权就在我手里了，然后我会！Owner，然后OnDesk 会以同样的方式    进行下一个人。

7.如果小明的票拿到了(唤醒)，那么他也可以去柜台。

8.当然即使Owner 的线程，也可能出现问题，比如买票过程中 - -发现没钱了，等别人给我带，也只能进入        WaitSet 中了。

 

  3.2 重入锁

       synchronized 内部锁是互斥锁，也就是说当A线程请求B线程所占有的一个锁时，只能等待（阻塞），直到B释放它，如果B不释放，那么A就一直等待（阻塞）。也就是同一时间只能由同一线程进入synchronized 的保护块，这能保证它的原子性操作。

       但是相同持有该锁的线程可以再次进入该代码块，它再次请求获得锁的时候，会成功。这里的实现是当线程获得锁的时候，监视器（JVM） 会记录锁的占有者，并且与锁关联的计数器 + 1，当计数器为 0的时候我们才认为该锁没有被占用。

       

	class Parent{
		public synchronized void doSome(){}
	}
	class Child extends Parent{
		public synchronized void doSome(){
			// 如果没有重入锁 ，这里会出现死锁
			super.doSome();
		}
	}

 

 

    3.3 ReentrantLock 

     这个在java.util.concurrent(J.U.C) 下的的显示锁，也具有重入锁的特征，与synchronizd 相比，Lock 锁更加的灵活，因为内部锁synchronized 在阻塞的时候，其他线程必须等待，如果出点问题，可能无限等待下去，而且内部锁机制在状态转换过程中，需要映射到操作系统的原生线程上，这块转换比较耗时的，虽然JVM 也做了一些比如自旋锁的优化，但是还是不够。而Lock 锁，是表现在API 层次的锁，增加了额外的几个功能：

     a. 等待可中断：如果获得锁的线程，长时间不释放锁，正在等待的线程可以选择放弃等待，改为初期其他事情，这样不至于大家都等在那里,浪费时间。

     b.公平锁：当多个线程等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序来一次获得锁，可以通过boolean 类型的构造函数使用公平锁。当然此方法吞吐量稍微慢点，并且和线程优先级一样，仅仅是让先申请的的获得更大的大的机会，并不能完全保证它一定是公平的。

     c.绑定多个条件：ReentrantLock  对象可以同时绑定多个Condition 对象，而synchronized 中，锁对象的wait() 和 notify() 或notifyAll() 方法可以实现一个隐含的条件，如果多余一个条件关联的时候，就不得不额外加个锁，而ReentantLock 无需这么做，只需要多次newCondition 方法即可。

         这里简单的理解是:synchronized 阻塞，相当于大家不认识，由工作人员(CPU)调度，自由竞争锁，也不管竞争的人(线程)有啥意外情况。condition 相当于把大家都信息都获取了，比如A(线程) 获得买票（获得锁），结果发现没钱，他可以设置一个条件condition-A 等待，然后让出位置，让另外的人买。假设B（线程）买好票了，发现A有钱了，他可以通过condition-A 唤醒A，让他继续参与买票。相当于大家更和谐，不用一个卡死在前面，后面的人就一直等待，condition 可以多个条件切换工作。这里是通过一个队列进行的，至于具体的实现原理，可以参考：http://ifeve.com/understand-condition/ ，我们以后详细讲解。

          

 

小结：

        1.上面内容我是从深入理解JVM  和 并发实践 等地方copy 的，加入了自己的一些理解，分享

        2.由于都是理论性的东西，因此先介绍一小部分，不至于大家看着很累，但是希望看的时候能融入自己的理解，不然都是天书，没意思。

        3.关于其他锁机制原理等内容，以后慢慢分享吧，等我消化消化

        4.如果发现不理解，或者我理解错误的，请指出，以免误导他人嘛，非常感谢！

        

        

评论

2 楼 greemranqq 2014-03-13  

xugangqiang 写道

讲的很好，特别是关于sync关键字的, monitorEnter, monitorExit
相当于这里有一道内存屏障，其他线程无法对这块内存进行访问，
这样就保证了这块内存的访问只有一个线程在进行，从而保证了安全性

以前一直不理解什么是内存屏障，这会有点理解了。
楼主最好再review一下文章，看看有没有错别字。

xugangqiang 写道

讲的很好，特别是关于sync关键字的, monitorEnter, monitorExit
相当于这里有一道内存屏障，其他线程无法对这块内存进行访问，
这样就保证了这块内存的访问只有一个线程在进行，从而保证了安全性

以前一直不理解什么是内存屏障，这会有点理解了。
楼主最好再review一下文章，看看有没有错别字。

额，纠结的错别是，好多年了。对了 我对锁的理解，以及内存屏障这块是有区别的，锁是监视器指令，内存屏障是另外一种，当然我没进行深入研究，这篇博文你可以参考，我们共同学习。
http://www.infoq.com/cn/articles/memory_barriers_jvm_concurrency

1 楼 xugangqiang 2014-03-13  

讲的很好，特别是关于sync关键字的, monitorEnter, monitorExit
相当于这里有一道内存屏障，其他线程无法对这块内存进行访问，
这样就保证了这块内存的访问只有一个线程在进行，从而保证了安全性

以前一直不理解什么是内存屏障，这会有点理解了。
楼主最好再review一下文章，看看有没有错别字。