Java多線程目錄

一 背景介紹

1 并發(fā)編程有兩個關(guān)鍵問題需要處理

1.1 通信

通信是指線程之間的信息交換，在命令式編程中有兩種方式。

• 共享內(nèi)存
  線程之間共享程序的公共狀態(tài)，通過讀/寫內(nèi)存中的公共狀態(tài)進行隱式同信。
• 消息傳遞
  線程之間沒有公共狀態(tài)，必須通過消息來進行通信

1.2 同步

同步是指用于控制不同的線程并發(fā)執(zhí)行的順序的一種方式。共享內(nèi)存并發(fā)同步是顯示指定的例如synchronized,程序員必須指定某個方法或者代碼線程之間互斥執(zhí)行。消息傳遞由于消息接受必定發(fā)生在消息發(fā)送之后，所以消息傳遞的同步是隱式的不需要程序員指定。

1.3 總結(jié)

Java的并發(fā)編程采用的是內(nèi)存共享模型，通信方式都是隱式的(不是真正的相互通信)，但通信過程是透明的，可由程序員自己控制，也就是控制同步的方式。

2 Java線程內(nèi)存模型的抽象結(jié)構(gòu)

Java線程內(nèi)存模型

public class ThreadUser {
    private int id;
}


public class ThreadOne extends Thread {
    private ThreadUser user;

    public ThreadOne(ThreadUser user) {
        this.user = user;
    }

    @Override
    public void run() {
        super.run();
        user.setId(user.getId()+1);
    }

    public static void main(String[] args) {
        ThreadUser user = new ThreadUser();  //user共享的數(shù)據(jù)
        user.setId(1);
        ThreadOne one = new ThreadOne(user); //新的線程
        one.start();

        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(user.getId()); //取出user的新值
    }
}

從上面例子中我們可以分析，里面有兩個線程，主線程main， 子線程ThreadOne,主要步驟：

1. main線程創(chuàng)建ThreadUser類對象，這個類對象是在堆內(nèi)存中的，是線程共享的。
2. main線程設(shè)置ThreadUser對象ID為1, 設(shè)置之后jvm會在一個合適的時機將這個改變輸入到主內(nèi)存中去。
3. 創(chuàng)建ThreadOne對象，進行多線程操作，start函數(shù)執(zhí)行，ThreadUser類的共享對象就會復(fù)制一份進入ThreadOne線程，ThreadOne線程對復(fù)制的ThreadUser對象ID進行了改變?yōu)?，后JVM回將這個改變刷入到主內(nèi)存中。
4. main線程讀取，就是從主線程讀取到本地內(nèi)存，再取出ThreadUser對象的ID，這時main線程就可以得到ThreadOne線程中設(shè)置的2.

3 線程安全問題

從上文中可以看到Java命令操作數(shù)據(jù)都是在內(nèi)存上操作，上面的例子比較簡單所以不會出現(xiàn)線程安全問題，當多個線程同時操作一個ThreadUser對象的時候，就會發(fā)生線程安全問題。

3.1 線程安全問題的產(chǎn)生

線程安全問題就是在多個線程同時操作一個變量的時候，線程對主內(nèi)存的讀寫并沒有按照我們的預(yù)期執(zhí)行。例如兩個線程同時操作ThreadUser的ID，如果兩個線程同時讀取的ThreadUser對象中的ID的值為1，
但在兩個線程中同時執(zhí)行user.setId(user.getId()+1) 操作時user的id 最后都會為2，這時連個兩個線程都會將改變的本地內(nèi)存變量刷入到主內(nèi)存，則主內(nèi)存user對象的id則為2,但是我們進行了兩次相加，本該為3的，這就是線程的安全。

多線程數(shù)據(jù)安全

如圖：多線程的執(zhí)行順序一般我們無法控制，我們想的是連個線程一個加1一個加2這樣我們就能得到4，但結(jié)果卻得到了3或者2還有4。這里線程A和線程B執(zhí)行的順序有三種可能

1. 正常執(zhí)行，線程A執(zhí)行完刷入內(nèi)存后線程B執(zhí)行沒有錯誤。
2. 結(jié)果為3，線程A和線程B同時讀取了a=1,都進行了相加操作后，線程B結(jié)果刷入主內(nèi)存，后線程A結(jié)果又刷入主內(nèi)存，線程A對線程B結(jié)果進行了覆蓋。
3. 同結(jié)果3，是線程B對線程A的結(jié)果進行了覆蓋。

4 順序一致性

如上文所示，數(shù)據(jù)為正確同步，就會存在數(shù)據(jù)競爭，執(zhí)行的順序與我們構(gòu)想的順序不一致，這就會造成各種各樣的問題。我們需要的多線程執(zhí)行是應(yīng)該具有順序一致性的，這樣我們的程序才會正確執(zhí)行。Java使用了各種各樣的同步方式來實現(xiàn)這個順序一致性，如volatile synchronized final關(guān)鍵字等。

4.1 順序一致性的理解

順序一致性內(nèi)存模型

如圖順序一致性內(nèi)存模型中有一個全局內(nèi)存，Java中就是我們的共享變量，內(nèi)存通過每次選擇一個線程來進行讀寫順序操作，來保證共享變量的正確性。
Java代碼例子，使用synchronized來實現(xiàn)。

public class ThreadOne implements Runnable{

    private Object lock = new Object();
    
    public void run() {
        synchronized (lock) {
            //TODO
        }
    }
}

如上述例子，我們對lock對象實例加了鎖，當多線程同時訪問一個ThreadOne對象的時候，每次只能有一個線程獲得這個鎖進行執(zhí)行，后續(xù)synchronized關(guān)鍵字會詳細介紹。