线程安全

Java 内存模型

多线程风险

在 Java 程序中，存储数据的内存空间分为共享内存和本地内存。线程在读写主存的共享变量时，会先将该变量拷贝一份副本到自己的本地内存，然后在自己的本地内存中对该变量进行操作，完成操作之后再将结果同步至主内存。

• 优势：由于 CPU 执行速度明先快于内存读写速度，将运算需要的数据拷贝到 CPU 高速缓存中运算，可以大大加快程序运行速度。
• 劣势：主内存数据和本地内存的不同步，导致多个线程同时操作主内存里的同一个变量时，变量数据可能会遭到破坏。

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread t = new MyThread();
        Thread t1 = new Thread(t);
        Thread t2 = new Thread(t);
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

class MyThread implements Runnable {
    private int x = 0;                            // 对象中的数据由线程共享
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            x++;
        }
        System.out.println("final x: " + x);     // 最后输出的数据不一定为 20000
    }
}Copy to clipboardErrorCopied

行为规范

JMM 定义了共享内存系统中多线程程序读写操作行为的规范，用来保证共享内存的原子性、可见性、有序性。

原子性

原子性是指一个操作，要么全部执行并且执行过程不会被打断，要么就都不执行。

• Java 语言本身只保证了基本类型变量的读取和赋值是原子性操作。
• 简单操作的原子性可以通过 Atomic 原子类实现。
• 通过 synchronized 和 ReenTrantLock 等锁结构可以保证更大范围的原子性。

可见性

可见性是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。

• Java 语言会尽可能保证主内存数据和本地内存同步，但仍可能出现不可见问题。
• 通常用 volatile 关键字来保证可见性。
• 通过 synchronized 和 ReenTrantLock 等锁结构在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中，也能够保证可见性。

有序性

有序性是指程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

• Java 内存模型具备先天的有序性。但 Java 允许编译器和处理器对指令进行重排序，可能影响多线程并发执行时的有序性。
• 通过 synchronized 和 ReenTrantLock 等锁结构可以保证有序性。
• volatile 关键字可以禁止 JVM 的指令重排，也可以保证有序性。

线程锁

互斥锁和自旋锁

• 互斥锁

阻塞锁。当线程需要获取的锁已经被其他线程占用时，该线程会被直接挂起。直到其他线程释放锁，由操作系统激活线程。

适用于锁使用者保持锁时间比较长的情况，线程挂起后不再消耗 CPU 资源。

• 自旋锁

非阻塞锁。当线程需要获取的锁已经被其他线程占用时，该线程会不断地消耗 CPU 的时间去试图获取锁。

适用于锁使用者保持锁时间比较短的情况，没有用户态和内核态调度、上下文切换的开销和损耗。

悲观锁和乐观锁

• 悲观锁

每次读写资源时都会给资源上锁，其他线程想获取该资源时会被阻塞，直到其释放锁。

适用于写频繁的应用场景，写资源请求不会被一直驳回。synchronized 和 ReentrantLock 等独占锁都是悲观锁。

• 乐观锁

读资源时不会给资源上锁，多个线程可以同时读取资源。写资源时会比对数据检查其他线程有没有更新过该资源，如果未更新就写入资源并更新版本号，否则写资源请求被驳回，重新读取并写资源。

适用于读频繁的应用场景，多线程同时读取能有效提高吞吐量。CAS 算法和版本号机制都是乐观锁，悲观锁的抢占也会利用 CAS 算法。

公平锁和非公平锁

• 公平锁

加入到队列中等待唤醒，先到者先拿到锁。

公平锁不会出现线程饥饿，迟迟无法获取锁的情况。ReentrantLock 可以实现公平锁。

• 非公平锁

当线程要获取锁时通过两次 CAS 操作去抢锁，如果没抢到加入到队列中等待唤醒。

非公平锁的性能更好。synchronized 是非公平锁，ReentrantLock 默认情况下也是非公平锁。

可重入锁

允许一个线程对同一对象多次上锁。由 JVM 记录对象被线程加锁次数，只有当线程释放掉所有锁（加锁次数为0）时，其他线程才获准进入。

synchronized 和 ReentrantLock 等锁结构都是可重入锁。