线程安全性详解(原子性、可见性、有序性)

浏览:108 发布日期:2019/10/25 分类:用法示例
线程安全性详解
一、定义:什么是线程安全性
当多个线程访问某个类时,不管运行时环境采用 何种调度方式 或者这些进程将如何交替执行,并且在主调代码中不需要任何额外的同步或协同,这个类都能表现出正确的行为,那么就称这个类就是线程安全的。

二、线程安全性的三个体现
原子性:提供互斥访问,同一时刻只能有一个线程对数据进行操作(Atomic、CAS算法、synchronized、Lock)
可见性:一个主内存的线程如果进行了修改,可以及时被其他线程观察到(synchronized、volatile)
有序性:如果两个线程不能从 happens-before原则 观察出来,那么就不能观察他们的有序性,虚拟机可以随意的对他们进行重排序,导致其观察观察结果杂乱无序(happens-before原则)

三、线程安全性:原子性
3.1、原子性 — Atomic包
在Java jdk中里面提供了很多Atomic类

AtomicXXX:CAS、Unsafe.compareAndSwapInt
AtomicLong、LongAdder
AtomicReference、AtomicReferenceFieldUpdater
AtomicStampReference:CAS的ABA问题
由于CAS原语的直接操作与计算机底层的联系很大,CAS原语有三个参数,内存地址、期望值、新值。我们在Java中一般不去直接写CAS相关的代码,JDK为我们封装在AtomicXXX中,因此,我们直接使用就可以了。
**

我们在 java.util.concurrent.atomic目录中可以看到我们这些类,包下提供了AtomicBoolean、AtomicLong、AtomicInteger三种原子更新基本类型和一个比较好玩的类AtomicReference,这些类都有一个共同点,都支持CAS,以AtomicInteger为重点讲解。

3.1.1、AtomicInteger
AtomicInteger是一个提供原子操作的Integer类,通过线程安全的方式操作加减

以下是AtomicIntege基本包括的方法:public final int getAndSet(int newValue)       //给AtomicInteger设置newValue并返回加oldValue
public final boolean compareAndSet(int expect, int update)    //如果输入的值和期望值相等就set并返回true/false
public final int getAndIncrement()     //对AtomicInteger原子的加1并返回当前自增前的value
public final int getAndDecrement()   //对AtomicInteger原子的减1并返回自减之前的的value
public final int getAndAdd(int delta)   //对AtomicInteger原子的加上delta值并返加之前的value
public final int incrementAndGet()   //对AtomicInteger原子的加1并返回加1后的值
public final int decrementAndGet()    //对AtomicInteger原子的减1并返回减1后的值
public final int addAndGet(int delta)   //给AtomicInteger原子的加上指定的delta值并返回加后的值
示例:import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

@Slf4j
public class AtomicIntegerExample {
// 请求总数
public static int clientTotal = 5000;

// 同时并发执行的线程数
public static int threadTotal = 200;

public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

public static void main(String[] args) throws Exception {
    //获取线程池
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    //定义信号量
    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.error("exception", e);
            }
            countDownLatch.countDown();
        });
    }
    countDownLatch.await();
    executorService.shutdown();
    log.info("count:{}", count.get());
}
private static void add() {
    count.incrementAndGet();
}
这里我们使用请求总数为:5000,同时执行的并发线程数为:200,我们最终需要得到结果为:5000,这个执行结果才算正确。

查看返回结果:

13:43:26.473 [main] INFO com.mmall.concurrency.example.atomic.AtomicIntegerExample - count:5000

最后结果是 5000表示是线程安全的。

我们来看看 AtomicInteger底层代码中到底为我们做了什么?首先我们来看 AtomicInteger.incrementAndGet()方法public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable{
/**
     *  对AtomicInteger原子的加1并返回加1后的值
     * @return 更新的值
     */
    public final int incrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }
AtomicInteger调用了java底层的 unsafe.getAndAddInt()方法,这里是实现CAS 的关键。

incrementAndGet()是将自增后的值返回,还有一个方法getAndIncrement()是将自增前的值返回,分别对应++i和i++操作。同样的decrementAndGet()和getAndDecrement()则对--i和i--操作。

Unsafe类是在sun.misc包下,不属于Java标准。但是很多Java的基础类库,包括一些被广泛使用的高性能开发库都是基于
Unsafe类开发的,比如Netty、Cassandra、Hadoop、Kafka等。Unsafe类在提升Java运行效率,增强Java语言底层操作
能力方面起了很大的作用。Unsafe类使Java拥有了像C语言的指针一样操作内存空间的能力,同时也带来了指针的问题。
过度的使用Unsafe类会使得出错的几率变大,因此Java官方并不建议使用的,官方文档也几乎没有。通常我们最好也不
要使用Unsafe类,除非有明确的目的,并且也要对它有深入的了解才行。

再来看 Unsafe.getAndAddInt()方法/*
 * 其中getIntVolatile和compareAndSwapInt都是native方法
 * getIntVolatile是获取当前的期望值
 * compareAndSwapInt就是我们平时说的CAS(compare and swap),通过比较如果内存区的值没有改变,那么就用新值直接给该内存区赋值
 */
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
    return var5;
}
public native int getIntVolatile(Object var1, long var2);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

我们可以看到getAndAddInt(object var1, long var2, int var4),传进来的第一个参数是当前的一个对象,也就是我们的:count.incrementAndGet(),在getAndAddInt()中,var1就是count,var2就是当前的值,比如当前循环中count值为 2,var4为每次递增1

其次getAndAddInt()方法中涉及到的两个方法调用都定义为native,即java底层实现的本地方法

getIntVolatile():获取保存当前对象count的主存地址的引用(注意不是对象的值,是引用)。
compareAndSwapInt():比较当前对象的值和底层该对象的值是否相等,如果相等,则将当前对象值加1,如果不相等,则重新去获取底层该对象的值,这个方法的实现就是CPU的CAS(compare and swap)操作。
我们知道volatile具有一致性的特征,但是它不具备原子性,为什么AtomicInteger却同时具备一致性和原子性,原来在AtomicInteger源码中实现了这样一串代码:private volatile int value;,在AtomicInteger内部实现就使用了volatile关键字,这就是为什么执行CAS(对CAS有疑问的点击此处)操作的时候,从底层获取的数据就是最新的数据:

如果当前要保存的值和内存中最新的值不相等的话,说明在这个过程中被其他线程修改了,只
能获取更新当前值为最新值,再那这个当前值再去和重新去内存获取的最新值比较,直到二者
相等的时候,才完成+1的过程.

使用AtomicInteger的好处在于,它不同于sychronized关键字或lock用锁的形式来实现原子性,加锁会影响性能,而是采用循环比较的形式来提高性能。

3.1.2、AtomicLong
AtomicLong是作用是对长整形进行原子操作,依靠底层的cas来保障原子性的更新数据,在要添加或者减少的时候,会使用死循环不断地cas到特定的值,从而达到更新数据的目的。import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;

@Slf4j
public class AtomicLongExample {
// 请求总数
public static int clientTotal = 5000;

// 同时并发执行的线程数
public static int threadTotal = 200;

public static AtomicLong count = new AtomicLong(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.error("exception", e);
            }
            countDownLatch.countDown();
        });
    }
    countDownLatch.await();
    executorService.shutdown();
    log.info("count:{}", count.get());
}

private static void add() {
    count.incrementAndGet();
    // count.getAndIncrement();
}
执行结果:

14:59:38.978 [main] INFO com.mmall.concurrency.example.atomic.AtomicLongExample - count:5000
1
最后结果是 5000表示是线程安全的。

3.1.3、AtomicBoolean
AtomicBoolean位于java.util.concurrent.atomic包下,是java提供给的可以保证数据的原子性操作的一个类import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean;

@Slf4j
public class AtomicBooleanExample {
private static AtomicBoolean isHappened = new AtomicBoolean(false);

// 请求总数
public static int clientTotal = 5000;

// 同时并发执行的线程数
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");
    }
}
返回结果:

15:04:54.954 [pool-1-thread-2] INFO com.mmall.concurrency.example.atomic.AtomicBooleanExample - execute
15:04:54.971 [main] INFO com.mmall.concurrency.example.atomic.AtomicBooleanExample - isHappened:true

这里我们发现log.info("execute");,在代码中只执行了一次,并且isHappened:true的值为true,这是为啥呢?

这里是因为当程序第一次compareAndSet()的时候,使得isHappend变为了true,因为原子性的关系,没有其他线程进行干扰,通过使用AtomicBoolean,我们使某段代码只执行一次。

3.1.4、AtomicReference
AtomicReference和AtomicInteger非常类似,不同之处就在于AtomicInteger是对整数的封装,底层采用的是compareAndSwapInt实现CAS,比较的是数值是否相等,而AtomicReference则对应普通的对象引用,底层使用的是compareAndSwapobject实现CAS,比较的是两个对象的地址是否相等。也就是它可以保证你在修改对象引用时的线程安全性。

多个线程之间的操作无论采用何种执行时序或交替方式,都要保证不变性条件不被破坏,要
保持状态的一致性,就需要在单个原子操作中更新相关的状态变量。import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

@Slf4j
public class AtomicReferenceExample {
private static AtomicReference<Integer> count = new AtomicReference<>(0);

public static void main(String[] args) {
    count.compareAndSet(0, 2); 
    count.compareAndSet(0, 1);
    count.compareAndSet(1, 3); 
    count.compareAndSet(2, 4); 
    count.compareAndSet(3, 5); 
    log.info("count:{}", count.get());
}
大家觉得我们输出的结果会是多少?

返回结果:

15:26:59.680 [main] INFO com.mmall.concurrency.example.atomic.AtomicReferenceExample - count:4
1
为什么是4呢?
首先我们 要说的是public final boolean compareAndSet(V expect, V update)这个方法,这个方法主要的作用是通过比对两个对象,然后更新为新的对象,这里的比对两个对象,比对的方式不是equals而是==,意味着比对的是内存的中地址。

1、首先我们创建count的初始化为0
2、在main方法中 count.compareAndSet(0, 2);,判断count为0时赋值为2
3、在count.compareAndSet(0, 1);和 count.compareAndSet(1, 3);判断count是否为1或者0,因为上一步我们已经赋值为2了,所以判断不成立
4、在count.compareAndSet(2, 4);判断count是否为2,等式成立
5、最好输出结果为4count.compareAndSet(0, 2); //count=0?赋值 2,判断成立,此时count=0,更新后为2
count.compareAndSet(0, 1); //count=0?赋值 1,判断不成立,此时count=2
count.compareAndSet(1, 3); //count=1?赋值 3,判断不成立,此时count=2
count.compareAndSet(2, 4); //count=2?赋值 4,判断成立,此时count=2,更新后count=4
count.compareAndSet(3, 5); //count=3?赋值 5,判断不成立,此时count=4
所以我们输出结果为:4
3.1.5、CAS中ABA问题的解决
CAS并非完美的,它会导致ABA问题,例如:当前内存的值一开始是A,被另外一个线程先改为B然后再改为A,那么当前线程访问的时候发现是A,则认为它没有被其他线程访问过。在某些场景下这样是存在错误风险的。比如在链表中。
如何解决这个ABA问题呢,大多数情况下乐观锁的实现都会通过引入一个版本号标记这个对象,每次修改版本号都会变话,比如使用时间戳作为版本号,这样就可以很好的解决ABA问题。
在JDK中提供了AtomicStampedReference类来解决这个问题,这个类维护了一个int类型的标记stamp,每次更新数据的时候顺带更新一下stamp。

3.2、原子性 — synchronized
synchronized是一种同步锁,通过锁实现原子操作。
1、修饰代码块:大括号括起来的代码,作用于调用的对象
2、修饰方法:整个方法,作用于调用的对象
3、修饰静态方法:整个静态方法,作用于所有对象
4、修饰类:括号括起来的部分,作用于所有对象

详细可以查看,我写的关于:synchronized的博客,因为写过所以就不做过多描述。

3.3、原子性 — 对比
Atomic:竞争激烈时能维持常态,比Lock性能好, 只能同步一个值
synchronized:不可中断锁,适合竞争不激烈,可读性好的情况
Lock:可中断锁,多样化同步,竞争激烈时能维持常态

四、线程安全性:可见性
简介:一个线程对主内存的修改可以及时被其他线程观察到

导致共享变量在线程间不可见的原因:
1.线程交叉执行
2.重新排序结合线程交叉执行
3.共享变量更新后的值没有在工作内存中与主内存间及时更新

4.1 可见性 — syncronized
JMM关于syncronized的两条规定:

线程解锁前,必须把共享变量的最新值刷新到主内存中
线程加锁时,将清空工作内存中共享变量的值,从而使得使用共享变量时需要从主内存中重新读取最新的值(注意:加锁与解锁是同一把锁)
由于syncronized可以保证原子性及可见性,变量只要被syncronized修饰,就可以放心的使用
4.2 可见性 — volatile
通过加入内存屏障和禁止重排序优化来实现可见性。
具体实现过程:

对volatile变量写操作时,会在写操作后加入一条store屏障指令,将本地内存中的共享变量值刷新到主内存
对volatile变量读操作时,会在读操作前加入一条load屏障指令,从主内存中读取共享变量
volatile不能保证操作的原子性,也就是不能保证线程安全性, 如果需要使用volatile必须满足以下两个条件:

对变量的写操作不依赖与变量当前的值。
该变量没有包含在具有其他变量的不变的式子中。
所以volatile修饰的变量适合作为状态标记量。

注:以下图片为资料中获取,如有雷同,纯属巧合

示例:import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;

@Slf4j
public class VolatileExample {

// 请求总数
public static int clientTotal = 5000;

// 同时并发执行的线程数
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.error("exception", e);
            }
            countDownLatch.countDown();
        });
    }
    countDownLatch.await();
    executorService.shutdown();
    log.info("count:{}", count);
}

private static void add() {
    count++;
}
返回结果:

16:12:01.404 [main] INFO com.mmall.concurrency.example.count.VolatileExample4 - count:4986
1
通过执行代码我们可以发现,返回结果并不是我们想看到的5000,说明这个是线程不安全的类

主要是因为当我们执行conut++时分成了三步:
1、取出当前内存count值,这时count值时最新的
2、+1操作
3、重新写回主存

例如:有两个线程同时在执行count++,两个内存都执行了第一步,比如当前count值为99,它们都读到了这个count值,然后两个线程分别执行了+1,并写回主存,这样就丢掉了一次+1的操作。

五、线程安全性:有序性
在JMM中,允许编译器和处理器对指令进行重排序,但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行,却会影响到多线程并发执行的正确性。
通过volatile、synchronized、lock保证有序性
5.1 happens-before原则
程序次序规则:一个线程内,按照代码顺序,书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作
锁定规则:一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁的Lock()操作,也就是说只有先解锁才能对下面的线程进行加锁
volatile变量规则:对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作
传递规则:如果操作A先行发生与操作B,而操作B先行发生于操作C,则操作A先行发生于操作C
线程启动规则:Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作,一个线程只有执行了start()方法后才能做其他的操作
线程终端规则:对线程interrupt()方法的调用先行发生与被中断线程的代码检测到中断事件的发生(只有执行了interrupt()方法才可以检测到中断事件的发生)
线程终结规则:线程中所有操作都先行发生于线程的终止检测,我们可以通过Thread.join()方法结束,Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行
对象终结规则:一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始

六、线程安全性:总结
原子性:Atomic包、CAS算法、synchronized、Lock
原子性做了互斥方法,同一个线程只能有一个进行操作
可见性:synchronized、volatile
一个主内存的线程如果进行了修改,可以及时被其他线程观察到,介绍了volatile如何被观察到的
有序性:happens-before原则
happens-before原则,观察结果,如果两个线程不能偶从happens-before原则观察出来,那么就不能观察他们的有序性,虚拟机可以随意的对他们进行重排序
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