面試官：Java中如何保證線程安全性

一、線程安全在三個方面體現(xiàn)

1.原子性：提供互斥訪問，同一時刻只能有一個線程對數(shù)據(jù)進行操作，（atomic,synchronized）；

2.可見性：一個線程對主內(nèi)存的修改可以及時地被其他線程看到，（synchronized,volatile）；

3.有序性：一個線程觀察其他線程中的指令執(zhí)行順序，由于指令重排序，該觀察結(jié)果一般雜亂無序，（happens-before原則）。

接下來，依次分析。

JDK里面提供了很多atomic類，AtomicInteger,AtomicLong,AtomicBoolean等等。

它們是通過CAS完成原子性。

我們一次來看AtomicInteger，AtomicStampedReference，AtomicLongArray，AtomicBoolean。

先來看一個AtomicInteger例子：

public class AtomicIntegerExample1 {
    // 請求總數(shù)
    public static int clientTotal = 5000;
    // 同時并發(fā)執(zhí)行的線程數(shù)
    public static int threadTotal = 200;
 
    public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
 
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();//獲取線程池
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);//定義信號量
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
        for (int i = 0; i < clientTotal ; i++) {
            executorService.execute(() -> {
                try {
                    semaphore.acquire();
                    add();
                    semaphore.release();
                } catch (Exception e) {
                    log.error("exception", e);
                }
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
        log.info("count:{}", count.get());
    }
 
    private static void add() {
        count.incrementAndGet();
    }
}

我們可以執(zhí)行看到最后結(jié)果是5000是線程安全的。

那么看AtomicInteger的incrementAndGet()方法：

再看getAndAddInt()方法：

這里面調(diào)用了compareAndSwapInt()方法：

它是native修飾的，代表是java底層的方法，不是通過java實現(xiàn)的 。

再重新看getAndAddInt()，傳來第一個值是當(dāng)前的一個對象 ，比如是count.incrementAndGet()，那么在getAndAddInt()中，var1就是count，而var2第二個值是當(dāng)前的值，比如想執(zhí)行的是2+1=3操作，那么第二個參數(shù)是2，第三個參數(shù)是1 。

變量5（var5）是我們調(diào)用底層的方法而得到的底層當(dāng)前的值，如果沒有別的線程過來處理我們count變量的時候，那么它正常返回值是2。

因此傳到compareAndSwapInt方法里的參數(shù)是（count對象，當(dāng)前值2，當(dāng)前從底層傳過來的2，從底層取出來的值加上改變量var4）。

compareAndSwapInt()希望達到的目標(biāo)是對于var1對象，如果當(dāng)前的值var2和底層的值var5相等，那么把它更新成后面的值（var5+var4）.

compareAndSwapInt核心就是CAS核心。

關(guān)于count值為什么和底層值不一樣：count里面的值相當(dāng)于存在于工作內(nèi)存的值，底層就是主內(nèi)存。

接下來我們看一下AtomicStampedReference。

關(guān)于CAS有一個ABA問題：開始是A，后來改為B，現(xiàn)在又改為A。解決辦法就是：每次變量改變的時候，把變量的版本號加1。

這就用到了AtomicStampedReference。

我們來看AtomicStampedReference里的compareAndSet()實現(xiàn)：

而在AtomicInteger里compareAndSet()實現(xiàn)：

可以看到AtomicStampedReference里的compareAndSet()中多了 一個stamp比較（也就是版本），這個值是由每次更新時來維護的。

這種維護數(shù)組的atomic類，我們可以選擇性地更新其中某一個索引對應(yīng)的值，也是進行原子性操作。這種對數(shù)組的操作的各種方法，會多處一個索引。

比如，我們看一下compareAndSet()：

看一段代碼：

public class AtomicBooleanExample {
 
    private static AtomicBoolean isHappened = new AtomicBoolean(false);
 
    // 請求總數(shù)
    public static int clientTotal = 5000;
    // 同時并發(fā)執(zhí)行的線程數(shù)
    public static int threadTotal = 200;
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
        for (int i = 0; i < clientTotal ; i++) {
            executorService.execute(() -> {
                try {
                    semaphore.acquire();
                    test();
                    semaphore.release();
                } catch (Exception e) {
                    log.error("exception", e);
                }
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
        log.info("isHappened:{}", isHappened.get());
    }
    private static void test() {
        if (isHappened.compareAndSet(false, true)) {
            log.info("execute");
        }
    }
}

執(zhí)行之后發(fā)現(xiàn)，log.info("execute");只執(zhí)行了一次，且isHappend值為true。

原因就是當(dāng)它第一次compareAndSet()之后，isHappend變?yōu)閠rue，沒有別的線程干擾。

通過使用AtomicBoolean，我們可以使某段代碼只執(zhí)行一次。

synchronized是一種同步鎖，通過鎖實現(xiàn)原子操作。

JDK提供鎖分兩種：一種是synchronized，依賴JVM實現(xiàn)鎖，因此在這個關(guān)鍵字作用對象的作用范圍內(nèi)是同一時刻只能有一個線程進行操作；另一種是LOCK，是JDK提供的代碼層面的鎖，依賴CPU指令，代表性的是ReentrantLock。

synchronized修飾的對象有四種：

• 修飾代碼塊，作用于調(diào)用的對象；
• 修飾方法，作用于調(diào)用的對象；
• 修飾靜態(tài)方法，作用于所有對象；
• 修飾類，作用于所有對象。

修飾代碼塊和方法：

@Slf4j
public class SynchronizedExample1 {
 
    // 修飾一個代碼塊
    public void test1(int j) {
        synchronized (this) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                log.info("test1 {} - {}", j, i);
            }
        }
    }
 
    // 修飾一個方法
    public synchronized void test2(int j) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            log.info("test2 {} - {}", j, i);
        }
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedExample1 example1 = new SynchronizedExample1();
        SynchronizedExample1 example2 = new SynchronizedExample1();
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        //一
        executorService.execute(() -> {
            example1.test1(1);
        });
        executorService.execute(() -> {
            example1.test1(2);
        });
        //二
        executorService.execute(() -> {
            example2.test2(1);
        });
        executorService.execute(() -> {
            example2.test2(2);
        });
        //三
        executorService.execute(() -> {
            example1.test1(1);
        });
        executorService.execute(() -> {
            example2.test1(2);
        });
    }
}

執(zhí)行后可以看到對于情況一，test1內(nèi)部方法塊作用于example1，先執(zhí)行完一次0-9輸出，再執(zhí)行下一次0-9輸出；情況二，同情況一類似，作用于example2；情況三，可以看到交叉執(zhí)行，test1分別獨立作用于example1和example2，互不影響。

修飾靜態(tài)方法和類：

@Slf4j
public class SynchronizedExample2 {
 
    // 修飾一個類
    public static void test1(int j) {
        synchronized (SynchronizedExample2.class) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                log.info("test1 {} - {}", j, i);
            }
        }
    }
 
    // 修飾一個靜態(tài)方法
    public static synchronized void test2(int j) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            log.info("test2 {} - {}", j, i);
        }
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedExample2 example1 = new SynchronizedExample2();
        SynchronizedExample2 example2 = new SynchronizedExample2();
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        executorService.execute(() -> {
            example1.test1(1);
        });
        executorService.execute(() -> {
            example2.test1(2);
        });
    }
}

test1和test2會鎖定調(diào)用它們的對象所屬的類，同一個時間只有一個對象在執(zhí)行。

對于可見性，JVM提供了synchronized和volatile。這里我們看volatile。

volatile會在寫操作時，會在寫操作后加一條store屏障指令，將本地內(nèi)存中的共享變量值刷新到主內(nèi)存：

volatile在進行讀操作時，會在讀操作前加一條load指令，從內(nèi)存中讀取共享變量：

@Slf4j
public class VolatileExample {
 
    // 請求總數(shù)
    public static int clientTotal = 5000;
 
    // 同時并發(fā)執(zhí)行的線程數(shù)
    public static int threadTotal = 200;
 
    public static volatile int count = 0;
 
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
        for (int i = 0; i < clientTotal ; i++) {
            executorService.execute(() -> {
                try {
                    semaphore.acquire();
                    add();
                    semaphore.release();
                } catch (Exception e) {
                    log.erro("exception", e);
                }
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
        log.info("count:{}", count);
    }
 
    private static void add() {
        count++;
    }
}

執(zhí)行后發(fā)現(xiàn)線程不安全，原因是 執(zhí)行conut++ 時分成了三步，第一步是取出當(dāng)前內(nèi)存 count 值，這時 count 值時最新的，接下來執(zhí)行了兩步操作，分別是 +1 和重新寫回主存。假設(shè)有兩個線程同時在執(zhí)行 count++ ，兩個內(nèi)存都執(zhí)行了第一步，比如當(dāng)前 count 值為 5 ，它們都讀到了，然后兩個線程分別執(zhí)行了 +1 ，并寫回主存，這樣就丟掉了一次加一的操作。

既然volatile不適用于計數(shù)，那么volatile適用于哪些場景呢：

1. 對變量的寫操作不依賴于當(dāng)前值
2. 該變量沒有包含在具有其他變量不變的式子中

因此，volatile適用于狀態(tài)標(biāo)記量：

線程1負(fù)責(zé)初始化，線程2不斷查詢inited值，當(dāng)線程1初始化完成后，線程2就可以檢測到inited為true了。

有序性是指，在JMM中，允許編譯器和處理器對指令進行重排序，但是重排序過程不會影響到單線程程序的執(zhí)行，卻會影響到多線程并發(fā)執(zhí)行的正確性。

可以通過volatile、synchronized、lock保證有序性。

另外，JMM具有先天的有序性，即不需要通過任何手段就可以得到保證的有序性。這稱為happens-before原則。

如果兩個操作的執(zhí)行次序無法從happens-before原則推導(dǎo)出來，那么它們就不能保證它們的有序性。虛擬機可以隨意地對它們進行重排序。

happens-before原則：

1. 程序次序規(guī)則：在一個單獨的線程中，按照程序代碼書寫的順序執(zhí)行。
2. 鎖定規(guī)則：一個unlock操作happen—before后面對同一個鎖的lock操作。
3. volatile變量規(guī)則：對一個volatile變量的寫操作happen—before后面對該變量的讀操作。
4. 線程啟動規(guī)則：Thread對象的start()方法happen—before此線程的每一個動作。
5. 線程終止規(guī)則：線程的所有操作都happen—before對此線程的終止檢測，可以通過Thread.join()方法結(jié)束、Thread.isAlive()的返回值等手段檢測到線程已經(jīng)終止執(zhí)行。
6. 線程中斷規(guī)則：對線程interrupt()方法的調(diào)用happen—before發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測到中斷時事件的發(fā)生。
7. 對象終結(jié)規(guī)則：一個對象的初始化完成（構(gòu)造函數(shù)執(zhí)行結(jié)束）happen—before它的finalize()方法的開始。
8. 傳遞性：如果操作A happen—before操作B，操作B happen—before操作C，那么可以得出A happen—before操作C。