多线程安全

集合的线程安全

线程安全与线程不安全的集合

1. ArrayList（线程不安全） -- Vector（线程安全）：ArrayList与Vector区别
2. HashMap（线程不安全） -- HashTable （线程安全）：HashMap与HashTable区别

Vector和HashTable都是synchronized关键字实现,效率较低

ArrayList与Vector区别

1. ArrayList是最常用的List实现类，不是线程同步的(线程不安全的)，内部是通过数组实现的，它允许对元素进行快速随机访问。数组的缺点是每个元素之间不能有间隔，当数组大小不满足时需要增加存储能力，就要将已经有数组的数据复制到新的存储空间中。当从ArrayList的中间位置插入或者删除元素时，需要对数组进行复制、移动、代价比较高。因此，它适合随机查找和遍历，不适合插入和删除。

/**
 * ArrayList模拟线程不安全场景
 */
public class NotSafeDemo {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(() -> {
                list.add(UUID.randomUUID().toString());
                System.out.println(list);
            }, "线程" + i).start();
        }
    }
}

发生异常：java.util.ConcurrentModificationException

ArrayList-add方法源码

2. Vector是矢量队列 ，它是JDK1.0版本添加的类。继承于AbstractList，实现了List, RandomAccess, Cloneable这些接口。 Vector 继承了AbstractList，实现了List；所以，它是一个队列，支持相关的添加、删除、修改、遍历等功能 。 Vector 实现了RandmoAccess接口，即 提供了随机访问功能 。RandmoAccess是java中用来被List实现，为List提供快速访问功能的。在Vector中可以通过元素的序号快速获取元素对象（快速随机访问）。 Vector 实现了Cloneable接口，即实现clone()函数。它能被克隆。Vector与ArrayList类似，不同的是它支持线程的同步(线程安全的)，即某一时刻只有一个线程能够写Vector，避免多线程同时写而引起的不一致性，但实现同步需要很高的花费，因此，访问它比访问ArrayList慢。

public class SafeDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //Vector
        Vector<String> vector = new Vector<>();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(() -> {
                vector.add(UUID.randomUUID().toString());
                System.out.println(vector);
            }, "线程" + i).start();
        }
    }
}

Vector-add方法源码类

HasTable与HasMap区别

1. HashTable是线程安全的
2. HashMap不是线程安全的HastMap是一个接口 是map接口的子接口，是Hashtable的轻量级实现，是将键映射到值的对象，其中键和值都是对象，并且不能包含重复键，但可以包含重复值。HashMap允许null key和null value，而hashtable不允许。由于非线程安全，效率上可能高于Hashtable

Collections

synchronizedList

保证list是同步线程安全的

public class SafeDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //synchronizedList
        List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(() -> {
                list.add(UUID.randomUUID().toString());
                System.out.println(list);
            }, "线程" + i).start();
        }
    }
}

synchronizedList源码：

CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList相当于线程安全的ArrayList。和ArrayList一样，它是个可变数组；但是和ArrayList不同的时，它具有以下特性：

1. 适用于以下场景：

1. List 大小通常保持很小
2. 只读操作远多于可变操作
3. 需要在遍历期间防止线程间的冲突

2. 它是线程安全的。
3. 因为通常需要复制整个基础数组，所以可变操作（add()、set() 和 remove()等等）的开销很大。
4. 迭代器支持 hasNext(), next()等不可变操作，但不支持可变 remove()等操作。
5. 使用迭代器进行遍历的速度很快，并且不会与其他线程发生冲突。在构造迭代器时，迭代器依赖于不变的数组快照。
6. 独占锁效率低：采用读写分离思想解决
7. 写线程获取到锁，其他写线程阻塞
8. 复制思想：当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器添加，而是先将当前容器进行复制，复制出一个新的容器，然后新的容器里添加元素，添加完元素之后，再将原容器的引用指向新的容器。这时候会抛出来一个新的问题，也就是数据不一致的问题。如果写线程还没来得及写会内存，其他的线程就会读到了脏数据。

public class SafeDemo {

    public static void main(String[] args) {
        List list = new CopyOnWriteArrayList();
        for (int i = 0 ; i < 100 ; i++) {
            new Thread(() ->{
                list.add(UUID.randomUUID().toString());
                System.out.println(list);
            }, "线程" + i).start();
        }
    }
}

CopyOnWriteArrayList为何没有线程安全问题？

主要有两机制：

• 动态数组
• 线程安全

“动态数组”机制

1. 它内部有个“volatile数组”(array)来保持数据。在“添加/修改/删除”数据时，都会新建一个数组，并将更新后的数据拷贝到新建的数组中，最后再将该数组赋值给“volatile数组”, 这就是它叫做CopyOnWriteArrayList的原因
2. 由于它在“添加/修改/删除”数据时，都会新建数组，所以涉及到修改数据的操作，CopyOnWriteArrayList效率很低；但是单单只是进行遍历查找的话，效率比较高。

“线程安全”机制

1. 通过volatile和互斥锁来实现的。
2. 通过“volatile数组”来保存数据的。一个线程读取volatile数组时，总能看到其它线程对该volatile变量最后的写入；就这样，通过volatile提供了“读取到的数据总是最新的”这个机制的保证。
3. 通过互斥锁来保护数据。在“添加/修改/删除”数据时，会先“获取互斥锁”，再修改完毕之后，先将数据更新到“volatile数组”中，然后再“释放互斥锁”，就达到了保护数据的目的。

synchronizedMap

将线程不安全额集合变为线程安全集合，类比synchronizedList

ConcurrentHashMap

ConcurrentMap接口下有两个重要的实现 :

• ConcurrentHashMap
• ConcurrentskipListMap (支持并发排序功能。弥补ConcurrentHashMap)

ConcurrentHashMap内部使用段(Segment)来表示这些不同的部分，每个段其实就是一个小的HashTable,它们有自己的锁。只要多个修改操作发生在不同的段上，它们就可以并发进行。把一个整体分成了16个段(Segment.也就是最高支持16个线程的并发修改操作。这也是在重线程场景时减小锁的粒度从而降低锁竞争的一种方案。并且代码中大多共享变量使用volatile关键字声明，目的是第一时间获取修改的内容，性能非常好。

多线程安全

当多个线程同时共享，同一个全局变量或静态变量，做写的操作时，可能会发生数据冲突问题，也就是线程安全问题。但是做读操作是不会发生数据冲突问题。

如何解决多线程之间线程安全问题?
使用多线程之间同步synchronized或使用锁(lock)。

为什么使用线程同步或使用锁能解决线程安全问题呢？
将可能会发生数据冲突问题(线程不安全问题)，只能让当前一个线程进行执行。代码执行完成后释放锁，让后才能让其他线程进行执行。这样的话就可以解决线程不安全问题。

什么是多线程之间同步？
当多个线程共享同一个资源,不会受到其他线程的干扰。

线程安全解决方案

内置锁

Java提供了一种内置的锁机制来支持原子性。每一个Java对象都可以用作一个实现同步的锁，称为内置锁，线程进入同步代码块之前自动获取到锁，代码块执行完成正常退出或代码块中抛出异常退出时会释放掉锁。内置锁为互斥锁，即线程A获取到锁后，线程B阻塞直到线程A释放锁，线程B才能获取到同一个锁内置锁使用synchronized关键字实现，

synchronized关键字有两种用法

1. 修饰一个代码块，被修饰的代码块称为同步代码块，其作用的范围是大括号{}括起来的代码，作用的对象是调用这个代码块的对象；
2. 修饰一个方法，被修饰的方法称为同步方法，其作用的范围是整个方法，作用的对象是调用这个方法的对象；

Lock

(注：lock是一个接口，不是java内部的实现)

同步代码块

同步代码块：将可能会发生线程安全问题的代码，给包括起来。

synchronized(对象)//这个对象可以为任意对象 
	{ 
    需要被同步的代码（可能会发生线程冲突问题）
}

对象如同锁，持有锁的线程可以在同步中执行，没持有锁的线程即使获取CPU的执行权，也进不去。

同步的前提：
1. 必须要有两个或者两个以上的线程
2. 必须是多个线程使用同一个锁
3. 必须保证同步中只能有一个线程在运行

好处：解决了多线程的安全问题
弊端：多个线程需要判断锁，较为消耗资源、抢锁的资源。

private static Object oj = new Object();

public void sale() {
    // 前提 多线程进行使用、多个线程只能拿到一把锁。
    // 保证只能让一个线程 在执行 缺点效率降低
    synchronized (oj) {
        if (count > 0) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售第" + (100 - count + 1) + "票");
            count--;
        }
    }
}

同步函数

同步函数：在方法上修饰synchronized 称为同步函数，同步函数使用this锁

public synchronized void sale() {
    if (trainCount > 0) {
        try {
            Thread.sleep(40);
        } catch (Exception e) {
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售 第" + (100 - trainCount + 1) + "张票.");
        trainCount--;
    }
}

静态同步函数

静态同步函数：方法上加上static关键字，使用synchronized 关键字修饰 或者使用类.class文件。静态的同步函数使用的锁是  该函数所属字节码文件对象(当前类的字节码文件)，可以用 getClass方法获取，也可以用当前  类名.class 表示。

synchronized (ThreadTrain .class){
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售 第" + (100 - trainCount + 1) + "张票.");
    trainCount--;
    try {
        Thread.sleep(100);
    } catch (Exception e) {
    }
}

多线程死锁

多线程死锁：同步中嵌套同步,导致锁无法释放（尽量不要在同步中嵌套同步）。

多线程有三大特性

原子性、可见性、有序性

原子性

即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。原子性其实就是保证数据一致、线程安全一部分。

可见性

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。

有序性

程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。一般来说处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。

Java内存模型（JMM）

共享内存模型指的就是Java内存模型(Java Memory Model，简称JMM)，JMM决定一个线程对共享变量的写入时,能对另一个线程可见。

从抽象的角度来看，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：线程之间的共享变量存储在主内存（main memory）中，每个线程都有一个私有的本地内存（local memory），本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。本地内存是JMM的一个抽象概念，并不真实存在。它涵盖了缓存，写缓冲区，寄存器以及其他的硬件和编译器优化。

从上图来看，线程A与线程B之间如要通信的话，必须要经历下面2个步骤：

1. 线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。
2. 线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。

下面通过示意图来说明这两个步骤：

如上图所示，本地内存A和B有主内存中共享变量x的副本。假设初始时，这三个内存中的x值都为0。线程A在执行时，把更新后的x值（假设值为1）临时存放在自己的本地内存A中。当线程A和线程B需要通信时，线程A首先会把自己本地内存中修改后的x值刷新到主内存中，此时主内存中的x值变为了1。随后，线程B到主内存中去读取线程A更新后的x值，此时线程B的本地内存的x值也变为了1。
从整体来看，这两个步骤实质上是线程A在向线程B发送消息，而且这个通信过程必须要经过主内存。JMM通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互，来为java程序员提供内存可见性保证。

总结：什么是Java内存模型：java内存模型简称jmm，定义了一个线程对另一个线程可见。共享变量存放在主内存中，每个线程都有自己的本地内存，当多个线程同时访问一个数据的时候，可能本地内存没有及时刷新到主内存，所以就会发生线程安全问题。

Volatile

可见性也就是说一旦某个线程修改了该被volatile修饰的变量，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，可以立即获取修改之后的值。在Java中为了加快程序的运行效率，对一些变量的操作通常是在该线程的寄存器或是CPU缓存上进行的，之后才会同步到主存中，而加了volatile修饰符的变量则是直接读写主存。

Volatile 保证了线程间共享变量的及时可见性，但不能保证原子性

Volatile特性

1. 保证此变量对所有的线程的可见性，当一个线程修改了这个变量的值，volatile 保证了新值能立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新。但普通变量做不到这点，普通变量的值在线程间传递均需要通过主内存来完成。
2. 禁止指令重排序优化。有volatile修饰的变量，赋值后多执行了一个“load addl $0x0, (%esp)”操作，这个操作相当于一个内存屏障，指令重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置（只有一个CPU访问内存时，并不需要内存屏障）；

1. 指令重排序：是指CPU采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相应电路单元处理。

volatile 性能

　　volatile 的读性能消耗与普通变量几乎相同，但是写操作稍慢，因为它需要在本地代码中插入许多内存屏障指令来保证处理器不发生乱序执行

class ThreadVolatileDemo extends Thread {
	public boolean flag = true;
	@Override
	public void run() {
		System.out.println("开始执行子线程....");
		while (flag) {
		}
		System.out.println("线程停止");
	}
	public void setRuning(boolean flag) {
		this.flag = flag;
	}
}

public class ThreadVolatile {
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		ThreadVolatileDemo threadVolatileDemo = new ThreadVolatileDemo();
		threadVolatileDemo.start();
		Thread.sleep(3000);
		threadVolatileDemo.setRuning(false);
		System.out.println("flag 已经设置成false");
		Thread.sleep(1000);
		System.out.println(threadVolatileDemo.flag);

	}
}

运行结果:

已经将结果设置为fasle为什么？还一直在运行呢。

原因：线程之间是不可见的，读取的是副本，没有及时读取到主内存结果。解决办法：使用Volatile关键字将解决线程之间可见性, 强制线程每次读取该值的时候都去“主内存”中取值

原子类

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。

public class VolatileNoAtomic extends Thread {
	static int count = 0;
	private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);

	@Override
	public void run() {
		for (int i = 0; i < 1000; i++) {
			//等同于i++
			atomicInteger.incrementAndGet();
		}
		System.out.println(count);
	}

	public static void main(String[] args) {
		// 初始化10个线程
		VolatileNoAtomic[] volatileNoAtomic = new VolatileNoAtomic[10];
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			// 创建
			volatileNoAtomic[i] = new VolatileNoAtomic();
		}
		for (int i = 0; i < volatileNoAtomic.length; i++) {
			volatileNoAtomic[i].start();
		}
	}

}

volatile vs synchronized

仅靠volatile不能保证线程的安全性。（volatile非原子性）

1. volatile轻量级，只能修饰变量。synchronized重量级，还可修饰方法
2. volatile只能保证数据的可见性，不能用来同步，因为多个线程并发访问volatile修饰的变量不会阻塞。synchronized不仅保证可见性，而且还保证原子性，因为，只有获得了锁的线程才能进入临界区，从而保证临界区中的所有语句都全部执行。多个线程争抢synchronized锁对象时，会出现阻塞。

线程安全性

线程安全性包括两个方面：①可见性 ②原子性
从上面自增的例子中可以看出：仅仅使用volatile并不能保证线程安全性。而synchronized则可实现线程的安全性。

ThreadLocal

ThreadLocal提高一个线程的局部变量，访问某个线程拥有自己局部变量。当使用ThreadLocal维护变量时，ThreadLocal为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本，所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会影响其它线程所对应的副本。

ThreadLocal类接口只有4个方法：

• void set(Object value)：设置当前线程的线程局部变量的值。
• public Object get()：返回当前线程所对应的线程局部变量。
• public void remove()：将当前线程局部变量的值删除，目的是为了减少内存的占用，该方法是JDK 5.0新增的方法。当线程结束后，对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收，所以显式调用该方法清除线程的局部变量并不是必须的操作，但它可以加快内存回收的速度。
• protected Object initialValue()：返回该线程局部变量的初始值，该方法是一个protected的方法，显然是为了让子类覆盖而设计的。这个方法是一个延迟调用方法，在线程第1次调用get()或set(Object)时才执行，并且仅执行1次。ThreadLocal中的缺省实现直接返回一个null。

案例:创建三个线程，每个线程生成自己独立序列号。
代码:

class Res {
	// 生成序列号共享变量
	public static Integer count = 0;
	public static ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<Integer>() {
        protected Integer initialValue() {
            return 0;
        };

	};

	public Integer getNum() {
		int count = threadLocal.get() + 1;
		threadLocal.set(count);
		return count;
	}
}

class ThreadLocalDemo2 extends Thread {
    private Res res;

    public ThreadLocalDemo2(Res res) {
        this.res = res;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---" + "i---" + i + "--num:" + res.getNum());
        }

    }

    public static void main(String[] args) {
        Res res = new Res();
        ThreadLocalDemo2 tr1 = new ThreadLocalDemo2(res);
        ThreadLocalDemo2 tr2 = new ThreadLocalDemo2(res);
        ThreadLocalDemo2 tr3 = new ThreadLocalDemo2(res);
        tr1.start();
        tr2.start();
        tr3.start();
    }

}

ThreadLocal实现原理

ThreadLocal通过map集合，map.put(“当前线程”,值)；