1.线程安全

1.1 什么是线程安全

某个代码在单线程下执行没有任何问题，在多线程下执行出现bug。

1.2 原子性

把代码比如一个房间，每个线程就是要进入这个房间的人。如果没有任何保护机制，A进入之后，进行一些列隐私操作，然后B也可以进入房间，从而打断A，这样就是不具备原子性的。把线程A进入房间的一系列操作进行打包成一个整体进行上锁，其他线程就进不来，这样就保证了代码的原子性。

1.3 线程不安全的原因

• 根本原因：操作系统上的线程是随即调度、抢占式执行的，线程之间执行的顺序带来了很多变数。
• 代码结构：代码中多个线程，同时修改一个变量（一个线程修改，一个线程读也可能存在问题）。
• 直接原因：多线程的修改操作下，本身不是原子的，一条Java语句不一定是原子的，也不一定只是一条指令，比如 i++，有三步操作：1.从内存把数据读到CPU；2.进行数据更新；3.把数据写回到CPU；
• 多个CPU指令，一个线程执行这些指令，执行到一半被调度走，从而其他线程可能会被调度；每个CPU指令，都是原子的，要么执行完，要么不执行。
• 内存可见性问题
• 指令重排序问题

1.4 通过synchronized进行加锁解决线程安全问题

synchronized关键字，随便放Object对象都行，两个线程之间是否使用的是同一个对象，是同一个会产生竞争，反则是不会。进入代码块加锁，出代码块是解锁。synchronized 修饰普通方法，相当于给this加锁（锁对象是this），修饰静态方法，相当于给类对象加锁。

public class ThreadDemo19 {private static int count = 0;private static int count2 = 0;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {// 随便创建个对象Object locker = new Object(); //两个线程之间是否使用的是同一个对象，是同一个会产生竞争，反则是不会Object locekr2 = new Object();// 创建两个线程，每个线程都针对上述count变量循环5w次 循环自增的代码存在线程安全问题int tmp = 0;Thread t1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 50000; i++) {/*// 1）一下线程修改一个变量，没有影响count++;*/// 加锁  synchronizedsynchronized(locker) { //进入大括号 就会加锁count++;} // 出大括号 就会解锁// 2）多个线程读取同一个变量，不会影响//System.out.println(count); //只是读取变量，变量的内容是固定不变的}});Thread t2 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 50000; i++) {//3）多个线程修改不同的变量，没有影响//count2++;//System.out.println(count);//两个线程针对不同对象加锁，存在不了锁竞争，就会出现线程安全问题/*synchronized (locekr2) {count++;}*/synchronized (locker) {count++;}}});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();//打印count的结果System.out.println("count = "+ count);}
}

synchronized 加锁的效果也称为 互斥性。

class Test {public int count;// synchronized 是加到static方法上，就等价于给 类对象加锁/*synchronized public static void func() {}public static void func() { // 使用较少synchronized (Test.class) {}}*/// 等同于下面 synchronized (this)的代码/*synchronized public void add() {count++;}*/public void add() {/*synchronized (this) {count++;}*/// 获取Test类的对象 (在一个java进程中，一个类的类对象都是只有一个)// 所以在这里第一线程和第二个线程拿到的类对象是同一个类对象，因此锁竞争仍然存在能保证线程安全synchronized (Test.class) {count++;}}}
public class ThreadDemo20 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Test test = new Test();Thread thread1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 50000; i++) {test.add();}});Thread thread2 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 50000; i++) {test.add();}});thread1.start();thread2.start();thread1.join();thread2.join();System.out.println("count = "+test.count);}
}

1.5 可重入锁

可重入锁：一共就只有一把锁，同一个线程，此时锁对象就知道第二次加锁的线程就是持有锁的线程，第二次进行加锁的发现加锁线程和持有锁线程是同一个线程，即能加锁。
判定当前加锁线程是否是加锁的线程，如果不是同一个线程，阻塞；如果是同一个线程，++计数器。

public class ThreadDemo21 {public static void main(String[] args) {Object locker = new Object();Thread t = new Thread(() -> {synchronized (locker) { //可重入锁：在最外层的{进行加锁 真正加锁，同时把计数器+1(初始是0，+1//之后就变成了1，说明当前这个对象被该线程加锁一次 )同时记录线程是谁//再加一个锁，当前由于是同一个线程，此时锁对象就知道了第二次加锁的线程，就是持有锁的线程// 第二次操作，就可以直接放行通过，不会出现阻塞   ——》这个特性 称为“可重入”synchronized (locker) { //第二次加锁的时候，发现加锁线程和持有锁线程是同一个线程，即能加锁//成功，++计数器，如果不是同一个线程，阻塞System.out.println("hello");} // 把计数器-1，2-1=》1，不为0.不会真的解锁} // 在最外层的}进行解锁  1-1=0》 进行解锁});t.start();}
}

1.6 死锁

加锁是解决线程安全问题，但是加锁方式不当就可能产生死锁。
死锁三种典型场景：

1. 一个线程，一把锁，如果锁不是可重入锁，并且是一个线程对这把锁加锁两次就会出现死锁。（钥匙锁屋里了）
2. 两个线程，两把锁，线程1获取到 锁A，线程2 获取到锁B，然后线程1 尝试获取B，线程2 尝试获取 锁A，就会出现死锁。（钥匙锁车里，车钥匙锁房间里），解决方案：约定加锁顺序，先对A进行加锁，再对B进行加锁）。

public class ThreadDemo22 {public static void main(String[] args) {Object A = new Object();Object B = new Object();Thread t1 = new Thread(() -> {synchronized (A) {//sleep一下，给t2时间，让t2也能拿到Btry {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}//尝试获取B，并没有释放Asynchronized (B) {System.out.println("t1拿到了两个线程");}}});/*Thread t2 = new Thread(() -> {synchronized (B) {try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}//尝试获取A，并没有释放Bsynchronized (A) {System.out.println("t2拿到了两个线程");}}});*/Thread t2 = new Thread(() -> {synchronized (A) {try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}// 解决方案：先对A进行加锁，再对B进行加锁synchronized (B) {System.out.println("t2拿到了两个线程");}}});t1.start();t2.start();}
}

3. N个线程，M把锁（哲学家就餐问题），解决方案：指定加锁顺序，针对五把锁，都进行编号，约定每个线程获取锁的时候，一定要先获取编号小的锁，后获取编号大的锁。

产生死锁的四个必要条件：

1. 互斥使用：获取锁的过程是互斥的，一个线程拿到了这把锁，另一个线程也想获取，就需要阻塞 等待（锁最基本的特性，不太好破坏）
2. 不可抢占：一个线程拿到了这把锁，只能主动解锁，不能让别的线程强行把锁抢走。（也是锁最基本的特性）
3. 请求保持：一个线程拿到了锁A之后，在持有锁A的前提下，尝试获取锁B。（根据代码结构看实际情况可破坏）
4. 循环等待/环路等待 （代码结构最容易破坏的）
   解决死锁问题，核心思路就是破坏上述的必要条件，破坏其一，就能解决死锁问题。只要指定一定的规则，就可以有效的避免循环等待。

1.7 Java标准库中的线程安全类

Java标准库中很多都是线程不安全的，这些类可能会涉及到多线程修改共享数据，又没有任何加锁措施。

• ArrayList
• LinkedList
• HashMap
• TreeMap
• HashSet
• TreeSet
• StringBuilder

还有一些是线程安全的，使用了一些锁机制来控制：

• Vector(不推荐使用)
• HashTable(不推荐使用)
• ConcurrentHashMap
• StringBuffer
  没加锁，不涉及修改，仍然是线程安全的：
• String

1.8 通过volatile关键字解决内存可见性引起的线程安全问题

• volatile能够保证内存可见性；另一个功能：禁止指令重排序。
• 什么叫内存可见性：就是高度依赖编译器的优化的具体实现
• 如果一个线程写，一个线程读也可能存在线程安全问题

设计一个预期通过 t2 线程输入的整数，只要输入的不为0，就可以使t1线程结束。

• 下面代码中 t2修改了内存，但是 t1没有看到这个内存的变化，即内存可见性问题。
• 在这里的内存可见性问题：
  在多线程下，编译器对代码的优化出现了误判，本来编译器期望 把读内存操作给优化成读寄存器中缓存的值，这样优化有助于我们提高循环的执行效率，并且编译器发现没有谁来修改flag，从而进行了错误的判断，在后续通过scanner用户输入来修改flag，导致这边 t2 线程修改了，而上面 t1 线程判断flag是否为0这边没有生效，因此出现了这边不能让t1结束的bug。

原理：
解决方案：给判断的变量 添加volatile关键字，在写入的时候：

• 改变线程工作中内存volatile变量副本的值
• 将改变后的副本的值从工作内存刷新到主存中

在读取volatile修饰的变量的时候：

• 从内存中读取volatile变量的最新值到线程的工作内存中
• 从工作内存中读取volatile变量的副本

import java.util.Scanner;
public class ThreadDemo23 {// t2修改了内存，但是t1没有看到这个内存的变化，就称为 内存可见性 问题//volatile关键字 核心功能：保证内存可见性； 另一个功能：禁止指令重排序private volatile static int flag = 0;public static void main(String[] args) {// 预期通过t2线程输入的整数，只要输入的不为0，就可以使t1线程结束Thread t1 = new Thread(() -> {while (flag == 0) {// 循环体里，没有内容/*try {// 不加sleep，一秒循环上百亿次，load操作的整体开销非常大，优化的迫切程度就更高// 加了之后，一秒循环1000次，load整体开销就没这么大，优化的迫切程度就降低了Thread.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}*/}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();}
}

volatile和synchronized区别：

• volatile保证的是内存可见性
• synchronized保证的是原子性，也可以保证内存可见性

会出现线程安全：

// 会出现线程安全，无法保证最后结果是 100000
static class Counter {volatile public int count = 0;void increase() {count++;}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {final Counter counter = new Counter();Thread t1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 50000; i++) {counter.increase();}});Thread t2 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 50000; i++) {counter.increase();}});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println(counter.count);
}

使用synchronized，加锁，去掉volatile，给t1的循环内部加锁，并借助counter对象加锁：

static class Counter {public int flag = 0;
}public static void main(String[] args) {Counter counter = new Counter();Thread t1 = new Thread(() -> {while (true) {synchronized (counter) {if (counter.flag != 0) {break;}}// do nothing}System.out.println("循环结束!");});Thread t2 = new Thread(() -> {Scanner scanner = new Scanner(System.in);System.out.println("输入一个整数:");counter.flag = scanner.nextInt();});t1.start();t2.start();
}

2. wait 和notify

由于线程之间是抢占式执行的，因此线程之间执行的先后顺序是随机的。

• wait() / wait(long timeout): 让当前线程进入等待状态.
• notify() / notifyAll(): 唤醒在当前对象上等待的线程.
• 这些都是Object方法

2.1 wait() --使当前线程进行等待，释放当前锁；满足一定条件时被唤醒，重新尝试获取这个锁

wait做的事情：

• 使当前执行代码的线程进行阻塞等待，（把线程放到等待队列中）
• 释放当前锁
• 满足一定条件时被唤醒，重新尝试获取这个锁

wait() 要搭配synchronized来使用，脱离synchronized使用wait会直接抛出异常。即要先有锁，才能调用wait且对象必须是同一对象。
wait结束等待的条件：

• 其他线程调用该对象的notify方法
• wait等待时间超时（ wait(long timeout)，来指定等待时间）
• 其他线程调用该等待线程的 interrupted 方法, 导致 wait 抛出 InterruptedException 异常.

wait 被唤醒后也要重新参与锁竞争。

public class ThreadDemo24 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Object object = new Object();synchronized (object) {System.out.println("wait 之前");object.wait();System.out.println("wait 之后");}}
}

2.2 notify()–是唤醒等待的线程

使用的哪个对象就是唤醒哪个对象的wait，如果两个wait是同一个对象调用的，随机唤醒其中一个，而notifyAll 唤醒这个对象所有等待的线程。

下面代码执行的过程：

1. t1 执行起来之后，就会立即拿到锁，并且打印t1 wait之前，进入wait方法（释放锁+阻塞等待）
2. t2 执行起来之后，先进行sleep（这个sleep作用是让 t1 能够先拿到锁）
3. t2 sleep结束之后，由于t1是wait状态，锁是释放的，t2 就能拿到锁，接下来打印 t2 notify之前，执行notify操作，即唤醒t1，（此时t1就从WAITING状态恢复回来）
4. 但是由于t2 此时还没有释放锁，t1 WAITING恢复之后，尝试获取锁，就可能会出现一个小小的阻塞，这个阻塞时由于锁竞争引起的。
5. t2 执行完t2 notify之后，释放锁，t2 执行完毕，t1 的wait就可以获取锁，继续执行打印t1 wait之后。

public class ThreadDemo25 {public static void main(String[] args) {Object locker = new Object();Thread t1 = new Thread(() -> {synchronized (locker) {System.out.println("t1 wait之前");try {// 释放锁，阻塞等待locker.wait();  // 死等//locker.wait(100);  带有超时的等待，ms 如果这个时间内没有进行notify，就不等} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("t1 wait之后");}});Thread t2 = new Thread(() -> {try {// 如果sleep写到synchronized外面的话，由于t1和t2执行顺序不确定，就可能t2先拿到锁，// t1 没执行到 wait  t2就先notifyThread.sleep(5000); // 让t1先拿到锁// 由于locker.wait()，锁是释放的，t2就能拿到锁synchronized (locker) {System.out.println("t2 notify 之前");// 唤醒t1，t1从WAITING 状态恢复过来// 由于t2此时还没有释放锁，t1恢复之后尝试获取锁，就可能出现锁竞争从而导致阻塞locker.notify();System.out.println("t2 notify 之后");}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});t1.start();t2.start();}
}

2.3 wait 和sleep直接的区别：

• wait提供了一个带有超时的版本，sleep也是能指定时间，都是时间到就继续执行，解除阻塞。
• wait 和sleep 都可以被提前唤醒，wait通过notify，sleep通过interrupt唤醒
• 使用wait 在不知道要等多久的前提下使用，所谓超时时间，即兜底的
• 而使用sleep，要知道具体等多久，能提前唤醒，但是是异常唤醒，=。