Java基础之线程安全

java多线程内存模型，主内存+工作内存。线程是将主内存的变量拷贝到工作内存中，在工作内存中对变量进行改动，再写回到主内存中，这个过程包含lock、read、load、use、assign、store、write、unlock等几个过程。jvm规定的这8个线程操作都是原子性的操作，但全过程并不是原子性的。jvm对这些操作做了限制，比如一个线程获取共享变量的lock后，其它线程要获取该变量的lock就必须等待前一个线程unlock操作，这保证了多线程操作共享变量时，共享变量的一致性。

但是jvm的这8种操作只是针对共享变量，而我们通常遇到的是要保证一块代码执行的原子性，jvm提供了monitorenter及monitorexit机制，它们就类似于变量的lock及unlock，对应代码就是synchronized及java.util.cucurrent.locks包里的Lock类。

Java对于多线程安全问题提供了多种解决方式。

1.volatile 关键字：

volatile修饰变量，他用于保证共享变量的可见性。volatile是jvm提供的最轻量级线程安全机制。它是用于修饰共享变量的

它的关键在于，每次写操作都先于读操作进行，即保证每次变量值的更改，对于之后其它线程的读取是可见的。

volatile还有一个特点就是禁止指令重排。它的实现机制是，代码编译后，volatile变量出现的指令会被加上一个内存屏障，内存屏障的作用是保证下面两点：

a).volatile变量的代码行前面的代码，在指令重排时永远在volatile变量前；

b).volatile变量的代码行后面的代码，在指令重排时永远在volatile变量之后。

volatile的应用场景比较少，下面举个例子，展示volatile的一种应用场景。

共享变量

boolean f = false;

线程1

do something.........

f=true;

do something.........

线程2

do something.........

while(!f){

}

do something.........

如上，如果f不使用volatile修饰，则线程2就可能一直运行下去，陷入死循环，因为线程1修改f变量后，线程2并没有变。

这时候volatile关键字就保证了f修改对所有线程可见，线程2就不会陷入死循环。

上面情况是体现volatile保证可见性的特点。对于volatile放在指令重排的特征，一般情况如下：

共享变量

boolean f=false;

线程1

do something.........

initSomeProp();//语句1

f=true;//语句2

do domething.........

线程2

do something.........

while(!f){

}

loadSomeProp();

上面例子是防止线程1的指令重排，导致线程2在loadSomeProp()时出错。这是由于语句2有可能在执行时被jvm重新排到语句1之前进行，这导致线程1还没有执行initSomeProp()方法，线程2就执行了loadSomeProp()方法，这是无法达到预期目标的。使用volatile就能够防止语句2被重新排到语句1之前执行。

2.synchronized关键字：

java程序猿处理多线程问题时，关于线程安全，使用最多的就死synchronized关键字了。

synchronized关键字主要是用于保证一段代码执行的安全性，它对一块代码加锁，不需要手动释放锁。多线程执行synchronized代码块时，当一个线程获取锁，其它线程就只能等待锁释放后才能获取锁并执行代码块。

synchronized能够保证多线程执行该代码块时线程间保持互斥性。因为synchronized代码块在执行前或获取lock，此时会从主内存中重新读取所需的变量值，在代码执行完成后会释放锁，将修改的变量值全部写回主内存，所以synchronized也能保证变量的可见性。

synchronized可以用于修饰class、方法、方法中的一块代码。

用于修饰class时，表示该类的所有public方法均是线程安全的。其实锁的对象是该类的对象本身。这种做法会使该类的所有public方法在多线程执行时均是互斥的，也会是不同方法之间的执行也是互斥的（即线程1执行方法1时，线程2想执行方法2也是不行的，因为线程2要获取同一个对象的锁，而这个锁正被线程1使用）。

用于修饰方法时，表示该方法是线程安全的。同样的，如果该类中有多个方法都被synchronized关键字修饰了，则这些方法之间的执行也是线程互斥的，因为修饰方法时，锁的对象也是该类的对象本身。

用于修饰方法中的代码块时，需要一个参数，该参数即作为锁的对象，可以是this对象，也可以是该类中定义的成员变量。用成员变量做锁对象时，一般不会选择复杂的对象，一般都会定义一个空的byte数组对象。

3.java.util.concurrent.locks包:

这是jdk提供的工具包，里面有许多Lock类，主要有ReentrantLock、ReentrantReadWritLock。提供了丰富的方法，以lock方法获取锁，以unlock方法释放锁。