Java 并发性和多线程3

七、线程安全及不可变性

当多个线程同时访问同一个资源，并且其中的一个或者多个线程对这个资源进行了写操作，才会产生竞态条件。多个线程同时读同一个资源不会产生竞态条件。

我们可以通过创建不可变的共享对象来保证对象在线程间共享时不会被修改，从而实现线程安全。如下示例：

public class ImmutableValue{
    private int value = 0;

    public ImmutableValue(int value){
        this.value = value;
    }

    public int getValue(){
        return this.value;
    }
}

请注意 ImmutableValue 类的成员变量 value 是通过构造函数赋值的，并且在类中没有 set 方法。这意味着一旦 ImmutableValue 实例被创建，value 变量就不能再被修改，这就是不可变性。但你可以通过 getValue()方法读取这个变量的值。

（译者注：注意，“不变”（Immutable）和“只读”（Read Only）是不同的。当一个变量是“只读”时，变量的值不能直接改变，但是可以在其它变量发生改变的时候发生改变。比如，一个人的出生年月日是“不变”属性，而一个人的年龄便是“只读”属性，但是不是“不变”属性。随着时间的变化，一个人的年龄会随之发生变化，而一个人的出生年月日则不会变化。这就是“不变”和“只读”的区别。（摘自《Java 与模式》第 34 章））

如果你需要对 ImmutableValue 类的实例进行操作，可以通过得到 value 变量后创建一个新的实例来实现，下面是一个对 value 变量进行加法操作的示例：

public class ImmutableValue{
    private int value = 0;

    public ImmutableValue(int value){
        this.value = value;
    }

    public int getValue(){
        return this.value;
    }

    public ImmutableValue add(int valueToAdd){
        return new ImmutableValue(this.value + valueToAdd);
    }
}

请注意 add()方法以加法操作的结果作为一个新的 ImmutableValue 类实例返回，而不是直接对它自己的 value 变量进行操作。

## 引用不是线程安全的！

重要的是要记住，即使一个对象是线程安全的不可变对象，指向这个对象的引用也可能不是线程安全的。看这个例子：

public void Calculator{
    private ImmutableValue currentValue = null;

    public ImmutableValue getValue(){
        return currentValue;
    }

    public void setValue(ImmutableValue newValue){
        this.currentValue = newValue;
    }

    public void add(int newValue){
        this.currentValue = this.currentValue.add(newValue);
    }
}

Calculator 类持有一个指向 ImmutableValue 实例的引用。注意，通过 setValue()方法和 add()方法可能会改变这个引用。因此，即使 Calculator 类内部使用了一个不可变对象，但 Calculator 类本身还是可变的，因此 Calculator 类不是线程安全的。换句话说：ImmutableValue 类是线程安全的，但使用它的类不是。当尝试通过不可变性去获得线程安全时，这点是需要牢记的。

要使 Calculator 类实现线程安全，将 getValue()、setValue()和 add()方法都声明为同步方法即可。

八、Java 内存模型

Java 内存模型把 Java 虚拟机内部划分为线程栈和堆。

堆和栈的知识补漏：

Java把内存分成两种，一种叫做栈内存，一种叫做堆内存

在函数中定义的一些基本类型的变量和对象的引用变量都是在函数的栈内存中分配。当在一段代码块中定义一个变量时，java就在栈中为这个变量分配内存空间，当超过变量的作用域后，java会自动释放掉为该变量分配的内存空间，该内存空间可以立刻被另作他用。

堆内存用于存放由new创建的对象和数组。在堆中分配的内存，由java虚拟机自动垃圾回收器来管理。在堆中产生了一个数组或者对象后，还可以在栈中定义一个特殊的变量，这个变量的取值等于数组或者对象在堆内存中的首地址，在栈中的这个特殊的变量就变成了数组或者对象的引用变量，以后就可以在程序中使用栈内存中的引用变量来访问堆中的数组或者对象，引用变量相当于为数组或者对象起的一个别名，或者代号。

引用变量是普通变量，定义时在栈中分配内存，引用变量在程序运行到作用域外释放。而数组＆对象本身在堆中分配，即使程序运行到使用new产生数组和对象的语句所在地代码块之外，数组和对象本身占用的堆内存也不会被释放，数组和对象在没有引用变量指向它的时候，才变成垃圾，不能再被使用，但是仍然占着内存，在随后的一个不确定的时间被垃圾回收器释放掉。这个也是java比较占内存的主要原因，实际上，栈中的变量指向堆内存中的变量，这就是 Java 中的指针! 

具体文章参见：Java中的堆和栈的区别

这张图演示了 Java 内存模型的逻辑视图。

每一个运行在 Java 虚拟机里的线程都拥有自己的线程栈。这个线程栈包含了这个线程调用的方法当前执行点相关的信息。一个线程仅能访问自己的线程栈。一个线程创建的本地变量对其它线程不可见，仅自己可见。即使两个线程执行同样的代码，这两个线程任然在在自己的线程栈中的代码来创建本地变量。因此，每个线程拥有每个本地变量的独有版本。

所有原始类型的本地变量都存放在线程栈上，因此对其它线程不可见。一个线程可能向另一个线程传递一个原始类型变量的拷贝，但是它不能共享这个原始类型变量自身。

堆上包含在 Java 程序中创建的所有对象，无论是哪一个对象创建的。这包括原始类型的对象版本。如果一个对象被创建然后赋值给一个局部变量，或者用来作为另一个对象的成员变量，这个对象任然是存放在堆上。

下面这张图演示了调用栈和本地变量存放在线程栈上，对象存放在堆上。

九、Java同步块

Java 同步块（synchronized block）用来标记方法或者代码块是同步的。Java 同步块用来避免竞争。本文介绍以下内容：

• Java 同步关键字（synchronzied）
• 实例方法同步
• 静态方法同步
• 实例方法中同步块
• 静态方法中同步块
• Java 同步示例

## Java 同步关键字（synchronized）

Java 中的同步块用 synchronized 标记。同步块在 Java 中是同步在某个对象上。所有同步在一个对象上的同步块在同时只能被一个线程进入并执行操作。所有其他等待进入该同步块的线程将被阻塞，直到执行该同步块中的线程退出。

有四种不同的同步块：

1. 实例方法
2. 静态方法
3. 实例方法中的同步块
4. 静态方法中的同步块

上述同步块都同步在不同对象上。实际需要那种同步块视具体情况而定。

### 实例方法同步

下面是一个同步的实例方法：

 public synchronized void add(int value){
this.count += value;
 }

注意在方法声明中同步（synchronized ）关键字。这告诉 Java 该方法是同步的。

Java 实例方法同步是同步在拥有该方法的对象上。这样，每个实例其方法同步都同步在不同的对象上，即该方法所属的实例。只有一个线程能够在实例方法同步块中运行。如果有多个实例存在，那么一个线程一次可以在一个实例同步块中执行操作。一个实例一个线程。

### 静态方法同步 

静态方法同步和实例方法同步方法一样，也使用 synchronized 关键字。Java 静态方法同步如下示例：

public static synchronized void add(int value){
 count += value;
 }

同样，这里 synchronized 关键字告诉 Java 这个方法是同步的。

静态方法的同步是指同步在该方法所在的类对象上。因为在 Java 虚拟机中一个类只能对应一个类对象，所以同时只允许一个线程执行同一个类中的静态同步方法。

对于不同类中的静态同步方法，一个线程可以执行每个类中的静态同步方法而无需等待。不管类中的那个静态同步方法被调用，一个类只能由一个线程同时执行。

### 实例方法中的同步块 

有时你不需要同步整个方法，而是同步方法中的一部分。Java 可以对方法的一部分进行同步。

在非同步的 Java 方法中的同步块的例子如下所示：

public void add(int value){

    synchronized(this){
       this.count += value;
    }
  }

示例使用 Java 同步块构造器来标记一块代码是同步的。该代码在执行时和同步方法一样。

注意 Java 同步块构造器用括号将对象括起来。在上例中，使用了“this”，即为调用 add 方法的实例本身。在同步构造器中用括号括起来的对象叫做监视器对象。上述代码使用监视器对象同步，同步实例方法使用调用方法本身的实例作为监视器对象。

一次只有一个线程能够在同步于同一个监视器对象的 Java 方法内执行。

下面两个例子都同步他们所调用的实例对象上，因此他们在同步的执行效果上是等效的。

 public class MyClass {

    public synchronized void log1(String msg1, String msg2){
       log.writeln(msg1);
       log.writeln(msg2);
    }

    public void log2(String msg1, String msg2){
       synchronized(this){
          log.writeln(msg1);
          log.writeln(msg2);
       }
    }
  }

在上例中，每次只有一个线程能够在两个同步块中任意一个方法内执行。

如果第二个同步块不是同步在 this 实例对象上，那么两个方法可以被线程同时执行。

### 静态方法中的同步块 

和上面类似，下面是两个静态方法同步的例子。这些方法同步在该方法所属的类对象上。

public class MyClass {
    public static synchronized void log1(String msg1, String msg2){
       log.writeln(msg1);
       log.writeln(msg2);
    }

    public static void log2(String msg1, String msg2){
       synchronized(MyClass.class){
          log.writeln(msg1);
          log.writeln(msg2);
       }
    }
  }

这两个方法不允许同时被线程访问。

如果第二个同步块不是同步在 MyClass.class 这个对象上。那么这两个方法可以同时被线程访问。

## Java同步实例

在下面例子中，启动了两个线程，都调用 Counter 类同一个实例的 add 方法。因为同步在该方法所属的实例上，所以同时只能有一个线程访问该方法。

public class Counter{
     long count = 0;

     public synchronized void add(long value){
       this.count += value;
     }
  }
  public class CounterThread extends Thread{

     protected Counter counter = null;

     public CounterThread(Counter counter){
        this.counter = counter;
     }

     public void run() {
    for(int i=0; i<10; i++){
           counter.add(i);
        }
     }
  }
  public class Example {

    public static void main(String[] args){
      Counter counter = new Counter();
      Thread  threadA = new CounterThread(counter);
      Thread  threadB = new CounterThread(counter);

      threadA.start();
      threadB.start();
    }
  }

创建了两个线程。他们的构造器引用同一个 Counter 实例。Counter.add 方法是同步在实例上，是因为 add 方法是实例方法并且被标记上 synchronized 关键字。因此每次只允许一个线程调用该方法。另外一个线程必须要等到第一个线程退出 add()方法时，才能继续执行方法。

如果两个线程引用了两个不同的 Counter 实例，那么他们可以同时调用 add()方法。这些方法调用了不同的对象，因此这些方法也就同步在不同的对象上。这些方法调用将不会被阻塞。如下面这个例子所示：

public class Example {

    public static void main(String[] args){
      Counter counterA = new Counter();
      Counter counterB = new Counter();
      Thread  threadA = new CounterThread(counterA);
      Thread  threadB = new CounterThread(counterB);

      threadA.start();
      threadB.start();
    }
  }

注意这两个线程，threadA 和 threadB，不再引用同一个 counter 实例。CounterA 和 counterB 的 add 方法同步在他们所属的对象上。调用 counterA 的 add 方法将不会阻塞调用 counterB 的 add 方法。

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十、线程通信

线程通信的目标是使线程间能够互相发送信号。另一方面，线程通信使线程能够等待其他线程的信号。

例如，线程 B 可以等待线程 A 的一个信号，这个信号会通知线程 B 数据已经准备好了。本文将讲解以下几个 JAVA 线程间通信的主题：

1. 通过共享对象通信
2. 忙等待
3. wait()，notify()和 notifyAll()
4. 丢失的信号
5. 假唤醒
6. 多线程等待相同信号
7. 不要对常量字符串或全局对象调用 wait()

文章地址：极客企业版 

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十一、死锁

死锁是两个或更多线程阻塞着等待其它处于死锁状态的线程所持有的锁。死锁通常发生在多个线程同时但以不同的顺序请求同一组锁的时候。

例如，如果线程 1 锁住了 A，然后尝试对 B 进行加锁，同时线程 2 已经锁住了 B，接着尝试对 A 进行加锁，这时死锁就发生了。线程 1 永远得不到 B，线程 2 也永远得不到 A，并且它们永远也不会知道发生了这样的事情。为了得到彼此的对象（A 和 B），它们将永远阻塞下去。这种情况就是一个死锁。

文章地址：极客企业版

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十二、避免死锁

在有些情况下死锁是可以避免的。本文将展示三种用于避免死锁的技术：

1. 加锁顺序
2. 加锁时限
3. 死锁检测

## 加锁顺序

当多个线程需要相同的一些锁，但是按照不同的顺序加锁，死锁就很容易发生。

如果能确保所有的线程都是按照相同的顺序获得锁，那么死锁就不会发生。看下面这个例子：

Thread 1:
  lock A 
  lock B

Thread 2:
   wait for A
   lock C (when A locked)

Thread 3:
   wait for A
   wait for B
   wait for C

如果一个线程（比如线程 3）需要一些锁，那么它必须按照确定的顺序获取锁。它只有获得了从顺序上排在前面的锁之后，才能获取后面的锁。

例如，线程 2 和线程 3 只有在获取了锁 A 之后才能尝试获取锁 C(译者注：获取锁 A 是获取锁 C 的必要条件)。因为线程 1 已经拥有了锁 A，所以线程 2 和 3 需要一直等到锁 A 被释放。然后在它们尝试对 B 或 C 加锁之前，必须成功地对 A 加了锁。

按照顺序加锁是一种有效的死锁预防机制。但是，这种方式需要你事先知道所有可能会用到的锁(译者注：并对这些锁做适当的排序)，但总有些时候是无法预知的。