线程安全&Java内存模型

Java内存模型

Java内存模型(JMM)主要目标是定义多线程的情况下线程访问变量的规则。

JMM规定线程之间的共享变量存储在主内存中，每个线程都有一个本地内存（工作内存），本地内存存储了共享变量的副本。

关于线程安全

• 什么是线程安全问题？ 当多个线程同时共享同一个全局变量做写的操作时候，可能会受到其他线程的干扰，导致数据脏读。（数据一致性问题）
• 如何解决线程安全问题？ 核心思想：在同一时刻，只能有一个线程执行。 通过加锁使线程更加安全，也使程序的执行效率更低。
• 衡量线程安全的3个要素：
  • 原子性：一个操作或者多个操作要么全部执行，要么都不执行
  • 可见性：多个线程访问同一变量，一个线程修改了变量的值，其他线程可以立即看到修改的值
  • 有序性：程序按照代码的顺序先后执行（与指令重排有关）

Volatile关键字

volatile是一种轻量级的同步机制，可以保证可见性【及时将修改的变量刷新到主内存中】，但不能保证原子性，并且禁止重排序。

volatile在多线程下的适用场景：一写多读

volatile如何保证内存可见性？

当一个线程对volatile修饰的变量进行写操作时，该线程中的本地内存的变量会被立刻刷新到主内存中。

当一个线程对volatile修饰的变量进行读操作时，该线程直接读取主内存的变量。

volatile能否保证线程安全？

不能，保证线程安全需要同时具备原子性，可见性和有序性。而volatile只能保证可见性和有序性，无法保证原子性。

Synchronized关键字

核心思想：在多线程执行同一个方法时，只有获取到锁，才能进入方法里面执行

使用方式：

• 修饰一个类：其作用的范围是synchronized后面括号括起来的部分，作用的对象是这个类的所有对象；
• 修饰一个方法：被修饰的方法称为同步方法，其作用的范围是整个方法，作用的对象是调用这个方法的对象；
• 修饰一个静态的方法：其作用的范围是整个方法，作用的对象是这个类的所有对象；
• 修饰一个代码块：被修饰的代码块称为同步语句块，其作用范围是大括号{}括起来的代码块，作用的对象是调用这个代码块的对象；

锁的分类

轻量级锁&重量级锁

轻量级锁：手动上锁解锁，扩展性强。代表：Lock

重量级锁：自动上锁解锁，封装程度高。代表：Synchronized

可重入锁&不可重入锁

可重入锁（递归锁）：当一个线程已经获取到锁后，再次请求该锁，就可直接获取。（锁的传递，锁的嵌套）代表：Synchronized，Lock

锁的可重入性避免了大部分死锁情况的产生

不可重入锁：不具备传递性

读写锁

ReentrantReadWriteLock

相对Synchronized效率更高，但在多线程情况下，只支持读读共存，不支持读写，写写。

乐观锁与悲观锁

乐观锁（适合多读场景）

• 思想：认为不会发生线程冲突（本质上是没有锁的）
• 执行流程，先读取数据，然后在更新前检查在读取至更新这段时间数据是否被修改
  • 未修改：直接更新数据
  • 已修改：重新读取，再次提交更新（或者放弃操作）

为什么乐观锁适合多读场景？

乐观锁是一种更新前的检查机制，相对于悲观锁来说在多读场景下可以减少锁的性能开销，对于多写场景，乐观锁会一直进入已修改，重新读取，再次提交的循环，反而带来更多的资源消耗。

悲观锁（适合多写场景）

• 思想：认为一定会发生线程冲突
• 执行流程：读取数据的时候上锁（其他用户无法读取），直到本次数据更新完成才会释放锁。在多写场景下，能保证较高的数据一致性。

【总的来说，乐观锁回滚重试，悲观锁阻塞事务】

CAS无锁机制

原子类：AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong，AtomicReference可保证线程安全，底层使用CAS无锁机制

CAS：Compare and Swap，比较再交换，属于乐观锁的一种

• CAS原理 CAS包含3个参数，CAS（V，E，N），V：主内存的变量值，E：本地内存修改前的值，N：本地内存修改后的值 比较主内存的值和本地内存修改前的值是否一致，若一致，将修改后的值刷新到主内存，若不一致，当前线程放弃更新，将主内存数据刷新到本地内存，再次重试。
• 优点：非阻塞，不会发生死锁情况，效率更高
• 缺点：ABA问题（可以通过加入版本号来区分变量是否被修改）