【Java EE初阶三 】线程的状态与安全（下）

3. 线程安全

        线程安全：某个代码，不管它是单个线程执行，还是多个线程执行，都不会产生bug，这个情况就成为“线程安全”。

        线程不安全：某个代码，它单个线程执行，不会产生bug，但是多个线程执行，就会产生bug，这个情况就成为 “线程不安全”，或者 “存在线程安全问题”。     

        举个线程不安全例子,我们计算一个变量的自增次数，它循环了100000次，用两个线程去计算，各自计算循环50000次的次数。   

3.1 线程不安全样例

        根本原因：线程的随机调度，抢占式执行

        代码结构：不同线程修改同一数据

        直接原因：多线程操作不是原子的

        由于线程的随机调度，抢占式执行（不可避免），代码结构会促进该原因加剧不良后果；

       1、代码一分析---->代码随机调度，抢占执行的例子

        代码如下：

public class ThreadDemo4 {private static int count = 0;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1 = new Thread(() -> {for (int i = 1; i < 50000; i++) {count++;}});Thread t2 = new Thread(() -> {for (int i = 50000; i <= 100000; i++) {count++;}});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println("count: " + count);}
}

        按照我们的逻辑，从1自增到10_0000，肯定是自增了10_0000次，但是结果如下图所示：

      

        我们实际答案却不是10_0000，是53978次，其出现如上情况的最主原因就是多线程代码它们是并发执行的，且往代码深层次分析，java中的count++语句是由cpu的三个指令构成的：

（1）首先load 从内存中读取数据到cpu的寄存器中；

（2）其次add 把寄存器中的值 + 1；

（3）最后save 把寄存器中的值写回到内存中；
        因为上面两个线程t1和t2是并发执行的，那则t1 和 t2 线程的执行顺序就是无序的，他们可能同时读取内存中的数据add，双方都自增完往寄存器+1（应该是+1后再+1），但是最后从寄存器中save到内存中时，却只读取了一个线程自增完后的数值，另外一个自增的过程被忽略了，一些具体的分析如下图所示；

        线程并发执行的结果是无数的，并不是简单的排列组合就能穷举出来，因为并发的原因，可能 t1 线程它执行了两次，才执行一次 t2 线程，或者 t2 执行的次数更多，t1 线程只执行一次。等以上这些情况都是有可能出现的。

        故此t1 和 t2自增的时候，就可能从寄存器中拿的是同一个值，这两线程的其中一个自增后，没有来得及在内存中进行自加1，另一个线程自增完后就直接往内存中那这个值了，最后的结果肯定是不符合我们预期的。

        故此由上图所示，符合我们预期的效果就只有最前面的两个情况了，但是这种情况也就是多线程串行化执行，执行完 t1，再执行t2，代码如下所示：

public class ThreadDemo4 {private static int count = 0;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1 = new Thread(() -> {for (int i = 1; i < 50000; i++) {count++;}});Thread t2 = new Thread(() -> {try {t1.join();} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}for (int i = 50000; i <= 100000; i++) {count++;}});t1.start();t2.start();t2.join();System.out.println("count: " + count);}
}

        结果如下：

      

        但是如此操作的话，这个代码和多线程的运行就完全没有关系了；

       

        2、代码二分析---->内存可见性例子

        代码如下：

package thread;import java.util.Scanner;public class ThreadDemo22 {private static int flag = 1;public static void main(String[] args) {Thread t1 = new Thread(() -> {while (flag == 1) {System.out.println("这里是线程t1");}System.out.println("t1线程结束");});Thread t2 = new Thread(() -> {System.out.println("请输入flag的值");Scanner scanner = new Scanner(System.in);flag = scanner.nextInt();});t1.start();t2.start();}
}

        执行预期是当我们输入不等于1的值，就打印 “t1线程结束”，但是当我们输入结果为5，最终执行结果却不是我们预期的效果，执行结果如下：

        

        flag值是！=1，但是t1线程一直在循环运行，虽然t2线程是在按照我们的要求改变flag的值，为什么结果与预期是相悖的，如此就涉及到了jvm内部的优化了，和内存可见性相关；

        t1线程中的flag==1这一操作有两个核心指令：

（1）load，读取内存中的flag值到寄存器

（2）拿着寄存器中的值和1进行比较（条件跳转指令）

        这里load的每次操作取到的值都是一样的，而当我们执行scanner操作修改flag的值时，load这一指令，已经执行上百亿次了；且从内存中取数据这一操作是非常耗时的，远远比条件跳转指令花时间，这时由于load开销太大，jvm就会产生怀疑，怀疑这个load继续操作的必要性；从而给出优化，把从内存读数据load这一操作给优化掉了，这样一来，jvm就不会再从内存中拿数据，而是把load拿到的值放到寄存器中，从寄存器拿到数据，进行比较。这样可以大幅度的提高循环的执行速度。

        上面的例子，t2修改了内存，但是t1没看到内存变化，就称为内存可见性问题。而内存可见性问题，是高度依赖编译器优化的问题；

 3.2 线程不安全问题解决方法

3.2.1  t1 循环里加sleep

        代码如下：

public class ThreadDemo3 {private static int flag = 1;public static void main(String[] args) {Thread t1 = new Thread(() -> {while (flag == 1) {try {Thread.sleep(10);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}//循环题里，啥也不写}System.out.println("t1线程结束");});Thread t2 = new Thread(() -> {System.out.println("请输入flag的值");Scanner scanner = new Scanner(System.in);flag = scanner.nextInt();});t1.start();t2.start();}
}

        结果如下：

        方法详解：因为10秒中都可以让t1线程里面的循环执行上百亿次（cpu飞快的从内存中网寄存器中读取数据），这样会导致load的开销就非常大，代码的优化迫切程度就比较大；但是加了sleep后，我们让线程t1进行休眠，如此load的开销就小了很多，代码的优化迫切程度就降低了，故此load就能将5这个值在优化前读取到寄存器和flag进行比较，最终达到我们预期的效果；

3.3.2 给flag变量加volatile修饰 

        代码如下：

public class ThreadDemo3 {private volatile static int flag = 1;public static void main(String[] args) {Thread t1 = new Thread(() -> {while (flag == 1) {//循环题里，啥也不写}System.out.println("t1线程结束");});Thread t2 = new Thread(() -> {System.out.println("请输入flag的值");Scanner scanner = new Scanner(System.in);flag = scanner.nextInt();});t1.start();t2.start();}
}

        结果与之前类似，略；

        方法分析：

1、java提供volatile关键字，其核心作用，就是保证 “内存可见性”（另一功能：禁止指令重排序）可以使jvm强迫的优化强制关闭，这样就可以确保循环每次都是从内存中拿数据了，虽然这样执行效率也会下降，但数据更为准确了；

2、我们对编译器优化是这样表述的：

        编译器发现，每次循环都要从内存中读取数据，内存开销都太大了，于是把读取内存这一操作优化成读取寄存器这一操作。

        在JMM模型是这样描述的：

        编译器发现，每次循环都要从 “主内存” 中读取数据，就会把数据从 “主内存” 中复制下到 “工作内存” 中，后续每次读取都是在 “工作内容” 这读取。（这里的“工作内容代指cpu寄存器 + 缓存”）---->这里的 “主内存” 翻译成内存，“工作内存” 翻译成cpu寄存器 ；

3.3 线程不安全的原因

1、根本原因
        操作系统上的线程是“抢占式执行”，随机调度的---->给线程之间的执行顺序带来了很多变数。

2、代码结构
        多个线程同时修改同一个变量。

    2.1、如果一个线程修改一个变量，没事。

    2.2、多个线程读取同一个变量，没事的-->如果只是读取，变量的内容是固定不变的。

    2.3、多个线程修改不同的变量，没事--->如果是两个不同的变量，彼此之间就不会产生相互覆盖的情况了

3、直接原因
        多线程修改操作，本身不是原子的

        即count++：该操作可以被细分为3个cpu指令,一个线程执行这些指令，执行到一半会被调走，从而给其他线程“可乘之机”------>每个cpu指令，都是原子的，要么不执行，要么执行完

4、内存可见性
        一个线程读，一个线程写，也会导致线程安全的问题。

5、指令重排序
        编译器的一种优化，在保证代码逻辑不变的情况下，将一些代码的指令重新排序，从而提高代码的执行效率，但是有时候会因为重排序后，多线程编程就会出现线程安全问题。

番外：

        String是一个不可变对象

好处：

  1. 方便jvm进行缓存（放到字符串常量池中）
  2. Hash值固定
  3. String的对象是线程安全的-à意味着只能读取，不能修改

为什么说string是不可变的？

  1. 持有的数据（char 【】数组）是private的
  2. 里面没有提供public的方法来修改char数组的相关内容。
  3. Final只是表示不可被继承，和可变没有关系。

3.4  针对上述原因给出的解决方案 

        针对原因1：
        我们无法给出解决方案，因为操作系统内部已经实现了“抢占式执行”，我们干预不了

        针对原因2：
        分情况，有的时候，代码结构可以调整，有的时候调整不了。

        针对原因3：
        把要修改的变量这操作，通过特殊手段，把这操作在系统里的多个指令打包成一个“整体”。例如加锁操作，而加锁的操作（下一篇详细讲解），就是把多个指令打包成一个原子的操作。

        针对原因4：
        可以对代码进行调整，避免内存可见性的问题；也可以使用volatile进行修饰，强制把代码优化关了，这样数据就更准确了，但执行效率也就变慢了。

        针对原因5：
        将某些可能会指令重排序的变量，加volatile修饰，强制取消指令重排序的优化。

ps：本次的内容就到这里了，如果感兴趣的话就请一键三连哦！！！

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