多线程---线程安全

线程安全是开发者在开发多线程任务时最关心的问题，那么线程安全需要注意哪些呢？

一、思考：线程安全产生的原因是什么？ 二、final，volatile关键字的作用？ 三、1.5之前的javaDCL有什么缺陷？ 四、如何编写线程安全的程序？ 五、ThreadLocal使用的注意事项有哪些？

一、思考：线程安全产生的原因是什么？

原因：可变资源（内存）线程间共享

由Java的内存模型：各线程都有自己的工作内存 和 虚拟机的主内存。 工作内存中保存了该线程使用的变量的副本，各线程对变量的所有操作必须在工作内存中进行，即操作的是变量的副本。

看下面这个过程： 例如：对于 int a = 3; 线程A、B、C 都要操作变量a++；

• 当线程A操作a++后：主内存 a=3，A的工作内存 a = 4； B工作内存中 a=3; C 中 a=3;
• 然后B也操作a++： 主内存 a=3，A的工作内存 a = 4； B工作内存中 a=4; C 中 a=3;
• 然后A工作内存中的a同步到主内存：主内存 a=4，A的工作内存 a = 4； B工作内存中 a=4; C 中 a=3;
• 然后主内存同步到其他线程：主内存 a=4，A的工作内存 a = 4； B工作内存中 a=4; C 中 a=4;

这时就出问题了：a = 5才对，因为A，B线程都执行了a++，两次a++。

二、如何实现线程安全呢？

根据线程安全原因：可变资源（内存）线程间共享可得出：

• 不共享资源
• 共享不可变资源
• 共享可变资源（可见性、操作原子性、禁止重排序）

1、不共享资源

ThreadLocal：

如何使用ThreadLocal(看Loop.java中如何使用)：

   static final ThreadLocal<Looper> sThreadLocal = new ThreadLocal<Looper>();

   private static void prepare(boolean quitAllowed) {
        if (sThreadLocal.get() != null) {
            throw new RuntimeException("Only one Looper may be created per thread");
        }
        sThreadLocal.set(new Looper(quitAllowed));
    }
    
   public static @Nullable Looper myLooper() {
        return sThreadLocal.get();
    }

ThreadLocal原理： ThreadLocal.java

public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            createMap(t, value);
    }

//这个map是绑定在线程上的    
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
        return t.threadLocals;
    }

ThreadLocal使用建议：

• 声明为全局静态final成员，ThreadLocal在一个线程里有一个就够了，没必要每次初始化都创建一个。另外ThreadLocalMap是以ThreadLocal的引用为key,如果引用经常变的话，map中就匹配不到了。
• 避免存储大量对象，由底层数据结构决定。
• 用完后及时移除对象，如果线程一直存在，这个引用就一直不会被移除。

final的禁止重排序：

y不是final的，会被重排序，如果被重排序到构造函数之外，就会出现上面情况。

volatile的禁止重排序：

在JDK1.5的时候volatile的语义被增强了，增加了【禁止指令重排序】，JDK1.4之前下面的DCL单例是有问题的。

public class Singleton {
    private static volatile Singleton singleton;  //volatile很关键
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        if (null == singleton) {           //提高程序的效率
            synchronized (Singleton.class) {
                if (null == singleton) {   //解决多线程下的安全性问题，也就是保证对象的唯一
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

jdk1.5之后的翻译为机器码指令是下面：

1、test(single == null)
2、lock
3、test(single == null)
4、$instance = <allocate memory>  //分配内存
5、call constructor
6、singleton = $instance
7、unlock

而jdk1.4之前加volatile或者jdk1.5后不加volatile的指令可能是下面：

1、test(single == null)
2、lock
3、test(single == null)
4、$instance = <allocate memory>  //分配内存
5、singleton = $instance
6、unlock
7、call constructor

结论：这样的指令造成构造函数的调用在锁外面了，当多线程时，其他线程得到锁并且判断单例不null，直接来用，但是可能这个单例并没有被构造完成，会造成不可预知的问题。

保证可见性的方法

1. 使用final关键字
2. 使用volatile关键字
3. 加锁，锁释放时会强制将工作内存刷新至主内存。 对于3的解释：由【Happens-before规则第一条：内置锁的释放锁操作发生在该锁随后的加锁操作之前】

原子性：

例如a++，其实际代码如下，被拆分成了3行代码，不是原子操作。

int tmp = a;
tmp += 1;
a = tmp; 

保证原子性的方法： 1、加锁，保证操作的互斥性 2、使用CAS指令（如，Unsafe.compareAndSwapInt） 3、使用原子数值类型（如，AtomicInteger） 4、使用原子属性更新器（AtoicReferenceFieldUpdater）

结论：如何编写线程安全的程序

1. 不变性，能不共享就不共享，写可重入函数（见补充）
2. 可见性，如果必须要共享，保证变量的可见性
3. 原子性，保证操作的原子性
4. 禁止指令重排序，保证代码执行的顺序

补充： 可重入函数，不涉及其他内存：

public static int add(int a){
     return a + 2;
}