文章目录
- 三、共享模型之管程
- 3.1 共享带来的问题
- 3.1.1 小故事
- 3.1.2 代码体现
- 3.1.3 临界区 Critical Section
- 3.1.4 竞态条件 Race Condition
- 3.2 synchronized 解决方案
- 3.2.1 应用之互斥
- 3.2.2 synchronized改进代码
- 3.2.3 分析与思考
- 3.2.4 利用面向对象思想改进
- 3.3 方法上的 synchronized
- 3.4 “线程八锁”
- 3.5 变量的线程安全分析
- 3.5.1 局部/成员 变量线程安全分析
- 3.5.2 实例分析
- 3.6 常见线程安全类
- 3.6.1 线程安全类方法的组合
- 3.6.2 不可变类线程安全性
- 3.7 习题
- 3.7.1 卖票练习
- 3.7.2 转账练习
- 3.8 Monitor 概念
- 3.8.1 Java 对象头
- 3.8.2 原理之 Monitor(锁)
- 3.8.3 原理之 synchronized
- 3.8.4 小故事
- 3.8.5 原理之 synchronized 进阶
三、共享模型之管程
3.1 共享带来的问题
3.1.1 小故事
- 老王（操作系统）有一个功能强大的算盘（CPU），现在想把它租出去，赚一点外快
- 小南、小女（线程）来使用这个算盘来进行一些计算，并按照时间给老王支付费用
- 但小南不能一天24小时使用算盘，他经常要小憩一会（sleep），又或是去吃饭上厕所（阻塞 io 操作），有时还需要一根烟，没烟时思路全无（wait）这些情况统称为（阻塞）
- 在这些时候，算盘没利用起来（不能收钱了），老王觉得有点不划算
- 另外，小女也想用用算盘，如果总是小南占着算盘，让小女觉得不公平
- 于是，老王灵机一动，想了个办法 [ 让他们每人用一会，轮流使用算盘 ]
- 这样，当小南阻塞的时候，算盘可以分给小女使用，不会浪费，反之亦然
- 最近执行的计算比较复杂，需要存储一些中间结果，而学生们的脑容量（工作内存）不够，所以老王申请了一个笔记本（主存），把一些中间结果先记在本上
- 计算流程是这样的
- 但是由于分时系统，有一天还是发生了事故
- 小南刚读取了初始值 0 做了个 +1 运算，还没来得及写回结果
- 老王说 [ 小南，你的时间到了，该别人了，记住结果走吧 ]，于是小南念叨着 [ 结果是1，结果是1…] 不甘心地到一边待着去了（上下文切换）
- 老王说 [ 小女，该你了 ]，小女看到了笔记本上还写着 0 做了一个 -1 运算，将结果 -1 写入笔记本
- 这时小女的时间也用完了，老王又叫醒了小南：[小南，把你上次的题目算完吧]，小南将他脑海中的结果 1 写入了笔记本
- 小南和小女都觉得自己没做错，但笔记本里的结果是 1 而不是 0
3.1.2 代码体现
两个线程对初始值为 0 的静态变量一个做自增，一个做自减，各做 5000 次，结果是 0 吗？
/**
* @author lxy
* @version 1.0
* @Description 两个线程对初始值为 0 的静态变量一个做自增，一个做自减，各做 5000 次，结果是 0 吗?
* @date 2022/6/5 15:24
*/
@Slf4j(topic = "c.Test12")
public class Test12 {
static int counter = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5000; i++) {
counter++;
}
}, "t1");
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5000; i++) {
counter--;
}
}, "t2");
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
log.debug("{}",counter);//-330 0 583 -43
}
}
问题分析
以上的结果可能是正数、负数、零。为什么呢？因为 Java 中对静态变量的自增，自减并不是原子操作，要彻底理解，必须从字节码来进行分析
例如对于 i++ 而言（i 为静态变量），实际会产生如下的 JVM 字节码指令： (也就是分为三步:取值 , 加值,写值)
getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 // 准备常量1
iadd // 自增
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i
而对应i--也是类似：
getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 // 准备常量1
isub // 自减
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i
而 Java 的内存模型如下，完成静态变量的自增，自减需要在主存和工作内存中进行数据交换：
如果是单线程，以上 8 行代码是顺序执行（不会交错）没有问题：
但多线程下这 8 行代码可能交错运行，出现负数的情况：
出现正数的情况：
3.1.3 临界区 Critical Section
- 一个程序运行多个线程本身是没有问题的
- 问题出在多个线程访问共享资源
- 多个线程读共享资源其实也没有问题
- 在多个线程对共享资源读写操作时发生指令交错，就会出现问题
- 一段代码块内如果存在对共享资源的多线程读写操作，称这段代码块为临界区
例如，下面代码中的临界区
static int counter = 0;
static void increment()
// 临界区
{
counter++;
}
static void decrement()
// 临界区
{
counter--;
}
3.1.4 竞态条件 Race Condition
多个线程在临界区内执行，由于代码的执行序列不同而导致结果无法预测，称之为发生了竞态条件
3.2 synchronized 解决方案
3.2.1 应用之互斥
为了避免临界区的竞态条件发生，有多种手段可以达到目的。
- 阻塞式的解决方案：synchronized，Lock
- 非阻塞式的解决方案：原子变量
本次课使用阻塞式的解决方案：synchronized ，来解决上述问题，即俗称的**【对象锁】**，它采用互斥的方式让同一时刻至多只有一个线程能持有【对象锁】，其它线程再想获取这个【对象锁】时就会阻塞住。这样就能保证拥有锁的线程可以安全的执行临界区内的代码，不用担心线程上下文切换
注意
虽然 java 中互斥和同步都可以采用 synchronized 关键字来完成，但它们还是有区别的：
- 互斥是保证临界区的竞态条件发生，同一时刻只能有一个线程执行临界区代码
- 同步是由于线程执行的先后、顺序不同、需要一个线程等待其它线程运行到某个点
3.2.2 synchronized改进代码
语法：
synchronized(对象) // 线程1， 线程2(blocked)
{
//临界区代码
}
改进后的代码
/**
* @author lxy
* @version 1.0
* @Description 两个线程对初始值为 0 的静态变量一个做自增，一个做自减，各做 5000 次，结果是 0 吗?
* @date 2022/6/5 15:24
*/
@Slf4j(topic = "c.Test12")
public class Test12 {
static int counter = 0;
static Object lock = new Object();//创建锁对象
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5000; i++) {
synchronized (lock){
counter++;
}
}
}, "t1");
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5000; i++) {
synchronized (lock){
counter--;
}
}
}, "t2");
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
log.debug("{}",counter);
}
}
3.2.3 分析与思考
你可以做这样的类比：
-
synchronized(对象) 中的对象，可以想象为一个房间(root)的钥匙（锁），并且只有一把。房间只能一次进入一人进行计算，线程 t1，t2 想象成两个人 - 当线程 t1 执行到
synchronized(key) 时就好比 t1 进入了这个房间，并锁住了门拿走了钥匙，在门内执行count++ 代码 - 这时候如果 t2 也运行到了
synchronized(key) 时，它发现门被锁住了，只能在门外等待，发生了上下文切换，阻塞住了(从运行态 --> 阻塞态) - 这中间即使 t1 的 cpu 时间片不幸用完，被踢出了门外（不要错误理解为锁住了对象就能一直执行下去哦，这和CPU分配的时间片有关），这时门还是锁住的，t1 仍拿着钥匙，t2 线程还在阻塞状态进不来，只有下次轮到 t1 自己再次获得时间片时才能开门进入
- 当 t1 执行完
synchronized{} 块内的代码，这时候才会从 房间出来并解开门上的锁，唤醒 t2 线程把钥匙给他。t2 线程这时才可以进入 房间，锁住了门拿上钥匙，执行它的count-- 代码
用时序图描述：
思考
synchronized 实际是**用对象锁保证了临界区内代码的原子性，临界区内的代码对外是不可分割的，不会被线程切换所打断**。
为了加深理解，请思考下面的问题
- 如果把 synchronized(obj) 放在 for 循环的外面，如何理解？--原子性
放在for里面是 对count++ 的四条字节码指令作为原子整体。在这四条指令执行期间不会被其他线程所干扰
放在for外边是对 5000*4 条指令作为原子整体,在这20000条指令执行期间，不会被其他线程所干扰
- 如果 t1 synchronized(obj1) 而 t2 synchronized(obj2) 会怎样运作？--锁对象
两个对象对应着两把钥匙(锁)，二者就不存在锁竞争都可以拿到各自的锁。这样只要获得了时间片就都能执行，
那就和没加锁没什么区别了，做不到对共享变量的互斥操作
- 如果 t1 synchronized(obj) 而 t2 没有加会怎么样？如何理解？--锁对象
在上下文切换时,t2不会获得锁对象,从而也不会被阻塞,可以直接访问共享变量
一句话:一个进门用钥匙,一个直接一脚踹开
3.2.4 利用面向对象思想改进
把需要保护的共享变量放入一个类
@Slf4j(topic = "c.Test12")
public class Test12 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Room room = new Room();
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5000; i++) {
room.increment();
}
}, "t1");
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5000; i++) {
room.decrement();
}
}, "t2");
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
log.debug("{}",room.getCounter());
}
}
class Room{
private int counter = 0;
public void increment(){
synchronized (this){//把当前对象当成锁
counter++;
}
}
public void decrement(){
synchronized (this){
counter--;
}
}
public int getCounter(){
synchronized (this){//两个线程都读不用加锁，如果俩线程只要有一个写那么读也得加锁. 为了通用性,这里加了锁
return counter;
}
}
}
3.3 方法上的 synchronized
//成员方法上加synchronized,锁对象是当前对象this
class Test{
public synchronized void test() {
}
}
//等价于
class Test{
public void test() {
synchronized(this) {
}
}
}
//静态方法上加锁,锁对象是类对象
class Test{
public synchronized static void test() {
}
}
//等价于
class Test{
public static void test() {
synchronized(Test.class) {
}
}
}
不加 synchronized 的方法
不加 synchronzied 的方法就好比不遵守规则的人，不去老实排队（好比翻窗户进去的）
3.4 “线程八锁”
其实就是考察 synchronized 锁住的是哪个对象
情况一
@Slf4j(topic = "c.Test8Locks")
public class Test8Locks {
public static void main(String[] args) {
Number number = new Number();//此时synchronized 锁住的是同一个锁对象
new Thread(()->{
log.debug("begin");
number.a();
}).start();
new Thread(()->{
log.debug("begin");
number.b();
}).start();
}
}
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
public synchronized void a(){
log.debug("1");
}
public synchronized void b(){
log.debug("2");
}
}
结果：打印1 2 或 2 1
情况二
@Slf4j(topic = "c.Test8Locks")
public class Test8Locks {
public static void main(String[] args) {
Number number = new Number();
new Thread(()->{
log.debug("begin");
number.a();
}).start();
new Thread(()->{
log.debug("begin");
number.b();
}).start();
}
}
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
public synchronized void a(){
sleep(1);
log.debug("1");
}
public synchronized void b(){
log.debug("2");
}
}
结果：1s后打印 1 2 或 先打印2 , 1s后打印1
情况三
@Slf4j(topic = "c.Test8Locks")
public class Test8Locks {
public static void main(String[] args) {
Number number = new Number();
new Thread(()->{
log.debug("begin");
number.a();
}).start();
new Thread(()->{
log.debug("begin");
number.b();
}).start();
new Thread(()->{
log.debug("begin");
number.c();
}).start();
}
}
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
public synchronized void a(){
sleep(1);
log.debug("1");
}
public synchronized void b(){
log.debug("2");
}
public synchronized void c(){
log.debug("3");
}
}
结果：先打印3, 1s后打印1 2 或 先打印 2 3, 1s后打印1 或 先打印3 2, 1s后打印1
情况四
@Slf4j(topic = "c.Test8Locks")
public class Test8Locks {
public static void main(String[] args) {
Number number = new Number();
Number number2 = new Number();
new Thread(()->{
log.debug("begin");
number.a();
}).start();
new Thread(()->{
log.debug("begin");
number2.b();
}).start();
}
}
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
public synchronized void a(){
sleep(1);
log.debug("1");
}
public synchronized void b(){
log.debug("2");
}
}
结果：先打印2, 1s后打印 1
情况五
@Slf4j(topic = "c.Test8Locks")
public class Test8Locks {
public static void main(String[] args) {
Number number = new Number();
new Thread(()->{
log.debug("begin");
number.a();
}).start();
new Thread(()->{
log.debug("begin");
number.b();
}).start();
}
}
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
public static synchronized void a(){//锁的是类对象
sleep(1);
log.debug("1");
}
public synchronized void b(){//锁的是this对象
log.debug("2");
}
}
结果：先打印2, 1s后打印 1
情况六
@Slf4j(topic = "c.Test8Locks")
public class Test8Locks {
public static void main(String[] args) {
Number number = new Number();
new Thread(()->{
log.debug("begin");
number.a();
}).start();
new Thread(()->{
log.debug("begin");
number.b();
}).start();
}
}
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
public static synchronized void a(){
sleep(1);
log.debug("1");
}
public static synchronized void b(){
log.debug("2");
}
}
结果：1s后打印 1 2 或 先打印2 , 1s后打印1
情况七
@Slf4j(topic = "c.Test8Locks")
public class Test8Locks {
public static void main(String[] args) {
Number number = new Number();
Number number2 = new Number();
new Thread(()->{
log.debug("begin");
number.a();
}).start();
new Thread(()->{
log.debug("begin");
number2.b();
}).start();
}
}
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
public static synchronized void a(){
sleep(1);
log.debug("1");
}
public synchronized void b(){
log.debug("2");
}
}
结果：先打印2, 1s后打印 1
情况八
@Slf4j(topic = "c.Test8Locks")
public class Test8Locks {
public static void main(String[] args) {
Number number = new Number();
Number number2 = new Number();
new Thread(()->{
log.debug("begin");
number.a();
}).start();
new Thread(()->{
log.debug("begin");
number2.b();
}).start();
}
}
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
public static synchronized void a(){
sleep(1);
log.debug("1");
}
public static synchronized void b(){
log.debug("2");
}
}
结果：1s后打印 1 2 或 先打印2 , 1s后打印1
3.5 变量的线程安全分析
成员变量和静态变量是否线程安全？
- 如果它们没有共享，则线程安全
- 如果它们被共享了，根据它们的状态是否能够改变，又分两种情况
- 如果只有读操作，则线程安全
- 如果有读写操作，则这段代码是临界区，需要考虑线程安全
局部变量是否线程安全？
- 局部变量是线程安全的
- 但局部变量引用的对象则未必
- 如果该对象没有逃离方法的作用访问，它是线程安全的
- 如果该对象逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全
3.5.1 局部/成员 变量线程安全分析
**情况一：**普通局部变量是线程安全的
public static void test1() {
int i = 10;
i++;
}
每个线程调用 test1() 方法时局部变量 i，会在每个线程的栈帧内存中被创建多份，因此不存在共享
public static void test1();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=0
0: bipush 10
2: istore_0
3: iinc 0, 1
6: return
LineNumberTable:
line 10: 0
line 11: 3
line 12: 6
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
3 4 0 i I
**情况二：**被共享的成员变量的线程安全
//被共享的成员变量的线程安全举例
//共享变量有读写操作
public class TestThreadSafe {
static final int THREAD_NUMBER = 2;
static final int LOOP_NUMBER = 200;
public static void main(String[] args) {
ThreadUnsafe test = new ThreadUnsafe();
for (int i = 0; i < THREAD_NUMBER; i++) {
new Thread(() -> {
test.method1(LOOP_NUMBER);
}, "Thread" + (i+1)).start();
}
}
}
class ThreadUnsafe {
ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
public void method1(int loopNumber) {
for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
method2();
method3();
}
}
private void method2() {
list.add("1");
}
private void method3() {
list.remove(0);
}
}
运行结果：
Exception in thread "Thread2" java.lang.IndexOutOfBoundsException: Index: 0, Size: 0
at java.util.ArrayList.rangeCheck(ArrayList.java:657)
at java.util.ArrayList.remove(ArrayList.java:496)
at cn.itcast.n4.ThreadUnsafe.method3(TestThreadSafe.java:32)
at cn.itcast.n4.ThreadUnsafe.method1(TestThreadSafe.java:23)
at cn.itcast.n4.TestThreadSafe.lambda$main$0(TestThreadSafe.java:13)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
分析：
- 两次add的时候出了问题，add的时候数组长度会增加，两线程同时操作，字节码指令会执行会出现覆盖，只能加一个长度，remove两次就越界了.
new Thread(() -> {
list.add("1"); // 时间1. 会让内部 size ++
list.remove(0); // 时间3. 再次 remove size-- 出现角标越界
}, "t1").start();
new Thread(() -> {
list.add("2"); // 时间1（并发发生）. 会让内部 size ++，但由于size的操作非原子性, size 本该是2，但结果可能出现1
list.remove(0); // 时间2. 第一次 remove 能成功, 这时 size 已经是0
}, "t2").start();
例: t1获取集合的size然后加1 将值付给它, 如果获取size后 还未进行++操作。 此时，t1让出cpu 另外一个线程获取到了size依旧是0 然后t2进行size++, 最终导致两个线程的 size++执行后,size只加了一次。同理elementData[size++] = e 也会出现值覆盖问题。从而导致向集合中只add一个元素 却进行了两次remove，出现下标越界异常。
- 无论哪个线程中的 method2 引用的都是同一个对象中的 list 成员变量
**情况三：**局部变量引用的对象 不一定是线程安全的
将 list 修改为局部变量
//局部变量引用的对象是线程安全的情况
public class TestThreadSafe {
static final int THREAD_NUMBER = 2;
static final int LOOP_NUMBER = 200;
public static void main(String[] args) {
ThreadSafe test = new ThreadSafe();
for (int i = 0; i < THREAD_NUMBER; i++) {
new Thread(() -> {
test.method1(LOOP_NUMBER);
}, "Thread" + (i+1)).start();
}
}
}
class ThreadSafe {
public final void method1(int loopNumber) {
ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
method2(list);
method3(list);
}
}
public void method2(ArrayList<String> list) {
list.add("1");
}
private void method3(ArrayList<String> list) {
// System.out.println(1);
list.remove(0);
}
}
那么就不会有上述问题了
分析：
- list 是局部变量，每个线程调用时会创建其不同实例，没有共享
- 而 method2 的参数是从 method1 中传递过来的，与 method1 中引用同一个对象
- method3 的参数分析与 method2 相同
方法访问修饰符带来的思考，如果把 method2 和 method3 的方法修改为 public 会不会代理线程安全问题？
- 情况1：有其它线程调用 method2 和 method3
无线程安全问题，因为调用method1的线程和直接调用method3的线程 传入的不是同一个list. - 情况2：在 情况1 的基础上，为 ThreadSafe 类添加子类，子类覆盖 method2 或 method3 方法，即
//局部变量引用的对象不是线程安全
//此处省略测试类...
class ThreadSafe {
public void method1(int loopNumber) {
ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
method2(list);
method3(list);
}
}
public void method2(ArrayList<String> list) {
list.add("1");
}
public void method3(ArrayList<String> list) {
list.remove(0);
}
}
class ThreadSafeSubClass extends ThreadSafe{
@Override
public void method3(ArrayList<String> list) {
new Thread(() -> {
list.remove(0);
}).start();
}
}
结果：
结论：
- 方法的访问修饰 符是有一定意义的，在一定程度上可以保护线程安全。 private可以限制子类不能重写父类的方法 。public 方法如果不想让子类影响其行为 可以使用final进行修饰
- 从这个例子可以看出 private 或 final 提供【安全】的意义所在，请体会开闭原则中的【闭】
不想让子类改变我的行为 那我就把它保护起来 ,通过 private 或 final
使用private 和final 修改后
3.5.2 实例分析
例1：
public class MyServlet extends HttpServlet {// Myservlet只有一份,里面的成员变量/方法会被共享
// 是否安全？ NO
Map<String,Object> map = new HashMap<>();
// 是否安全？Yes
String S1 = "...";
// 是否安全？ Yes
final String S2 = "...";
// 是否安全？不是
Date D1 = new Date();
// 是否安全？不是 加上final只能说明D2这个引用的指向不会再发生变化,但是创建的Date对象里面的属性依旧可以发生变化的
final Date D2 = new Date();
public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
// 使用上述变量
}
}
例2
public class MyServlet extends HttpServlet {
// 是否安全？ No
private UserService userService = new UserServiceImpl();
public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
userService.update(...);
}
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
// 记录调用次数 No
private int count = 0;
public void update() {
// ...
count++;
}
}
例3
@Aspect
@Component
public class MyAspect {//MyAspect默认是单例的,里面的成员变量会被共享. 可能会出现线程安全问题.
// 是否安全？ No
private long start = 0L;
@Before("execution(* *(..))")//这里写这俩方法是为了计算方法的执行时间
public void before() {
start = System.nanoTime();
}
@After("execution(* *(..))")
public void after() {
long end = System.nanoTime();
System.out.println("cost time:" + (end-start));
}
}//改进:用环绕通知来改进,把成员变量改为局部变量
例4 (可以从下往上分析哦)
//3.本类也是线程安全的
public class MyServlet extends HttpServlet {
// 是否安全
private UserService userService = new UserServiceImpl();
public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
userService.update(...);
}
}
//2.本类也是线程安全的,因为里面虽然有共享变量UserDao,但是UserDao没有可变的属性
public class UserServiceImpl implements UserService {
// 是否安全
private UserDao userDao = new UserDaoImpl();
public void update() {
userDao.update();
}
}
//1.没有成员变量,所以本类一定是线程安全的
public class UserDaoImpl implements UserDao {
public void update() {
String sql = "update user set password = ? where username = ?";
// 是否安全
try (Connection conn = DriverManager.getConnection("","","")){
// ...
} catch (Exception e) {
// ...
}
}
}
例5
//本类是线程不安全的
public class MyServlet extends HttpServlet {
// 是否安全
private UserService userService = new UserServiceImpl();
public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
userService.update(...);
}
}
//本类是线程不安全的,因为UserDao是被共享的,里面有可变的属性.
public class UserServiceImpl implements UserService {
// 是否安全
private UserDao userDao = new UserDaoImpl();
public void update() {
userDao.update();
}
}
//有被共享的成员变量,所以本类是线程不安全的.
//举例:线程1刚创建了一个连接,线程2就执行了close(),关闭了连接.
public class UserDaoImpl implements UserDao {
//是否安全 No
private Connection conn = null;
public void update() throws SQLException{
String sql = "update user set password = ? where username = ?";
conn = DriverManager.getConnection("","","")
//...
conn.close();
}
}
例6
//本类是线程安全的,因为userService中没有可变的属性.
public class MyServlet extends HttpServlet {
// 是否安全
private UserService userService = new UserServiceImpl();
public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
userService.update(...);
}
}
//本类是线程安全的,因为userDao被定义成了局部变量.
public class UserServiceImpl implements UserService {
// 是否安全 Yes
public void update() {
UserDao userDao = new UserDaoImpl();
userDao.update();
}
}
//本类的分析过程同上 例5
public class UserDaoImpl implements UserDao {
//是否安全 No
private Connection conn = null;//不建议这样写,即使外部service中使用的局部变量
public void update() throws SQLException{
String sql = "update user set password = ? where username = ?";
conn = DriverManager.getConnection("","","")
//...
conn.close();
}
}
例7
public abstract class Test {
public void bar() {
// 是否安全 No
//只含有局部变量的类不一定就是线程安全的,要看这个变量引用是否在子类/其他方法 以一个新的线程被用到
SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
foo(sdf);
}
public abstract foo(SimpleDateFormat sdf);
public static void main(String[] args) {
new Test().bar();
}
}
其中 foo 的行为是不确定的，可能导致不安全的发生，被称之为外星方法
//当子类这样重写foo的方法时,就不是线程安全的
public void foo(SimpleDateFormat sdf) {
String dateStr = "1999-10-11 00:00:00";
for (int i = 0; i < 20; i++) {
new Thread(() -> {
try {
sdf.parse(dateStr);
} catch (ParseException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
}
请比较 JDK 中 String 类的实现
String中的char数组被final private 修饰,并且没有提供修改字符数组的方法, 从而导致字符数组的不可变.
另外String类被final修饰，避免了子类继承，从而破坏其不可变的性质。
**扩展：**思考下面程序执行的结果
3.6 常见线程安全类
- String
- Integer
- StringBuffer
- Random
- Vector
- Hashtable
- java.util.concurrent 包下的类
这里说它们是线程安全的是指，多个线程调用它们同一个实例的某个方法时，是线程安全的。也可以理解为
public void test(){
Hashtable table = new Hashtable();
//以下关于table的操作是线程安全的
new Thread(()->{
table.put("key", "value1");
}).start();
new Thread(()->{
table.put("key", "value2");
}).start();
}
- 它们的每个方法是原子的
- 但注意它们多个方法的组合不是原子的，见后面分析
3.6.1 线程安全类方法的组合
分析下面代码是否线程安全？
Hashtable table = new Hashtable();
// 创建 线程1，线程2,分别执行一下代码
if( table.get("key") == null) {
table.put("key", value);
}
- 线程1执行完get之后，锁释放。此时有可能线程2抢占到了锁，所以线程2也判断get==null成立，这时线程2可以进入下面的put逻辑。线程2执行完后，线程1继续执行做put操作，从而会出现值覆盖。此时两个线程table的操作就不是线程安全的。
3.6.2 不可变类线程安全性
String、Integer 等都是不可变类，因为其内部的状态不可以改变，因此它们的方法都是线程安全的
有同学或许有疑问，String 有 replace，substring 等方法【可以】改变值啊，那么这些方法又是如何保证线程安全的呢？
本质是当执行这些操作时，会创建新对象来保存值。
3.7 习题
3.7.1 卖票练习
测试下面代码是否存在线程安全问题，并尝试改正
/**
* @author lxy
* @version 1.0
* @Description 卖票案例
* @date 2022/6/8 22:21
*/
@Slf4j(topic = "c.ExerciseSell")
public class ExerciseSell {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//售票窗口,默认有10000张票
TicketWindow window = new TicketWindow(10000);
//卖出的票数统计
List <Integer> amountList = new Vector <>();
//所有线程的集合
List<Thread> threadList = new ArrayList <>();
//创建2000个线程,模拟用户来买票
for (int i = 0; i < 2000; i++) {
Thread thread = new Thread(() -> {
//买票
int amount = window.sell(randomAmount());
amountList.add(amount);
});
thread.start();
threadList.add(thread);
}
//等所有乘客买完票再进行统计
for (Thread thread : threadList) {
thread.join();
}
//统计卖出的票数和剩余票数
log.debug("余票:{}",window.getCount());
log.debug("卖出的票数:{}",amountList.stream().mapToInt(i->i).sum());
}
//Random为线程安全
static Random random = new Random();
//产生 1 - 5的随机数
public static int randomAmount(){
return random.nextInt(5)+1;
}
}
//售票窗口
class TicketWindow{
private int count;
public TicketWindow(int count) {
this.count = count;
}
// 获取余票数量
public int getCount() {
return count;
}
// 售票
public void setCount(int count) {
this.count = count;
}
//售票
public int sell(int amount){
if(this.count >= amount){
this.count -= amount;
return amount;
}else{
return 0;
}
}
}
另外，用下面的代码行不行，为什么？
List<Integer> sellCount = new ArrayList<>();//这里不可以这样写,因为sellCount需要被多个线程所操作,会有线程安全的问题,所以需要使用线程安全的集合.
测试脚本运行：
for /L %n in (1,1,10) do java -cp ".;E:\Soft\apache-maven-3.8.1\mvn_repository\ch\qos\logback\logback-classic\1.2.3\logback-classic-1.2.3.jar;E:\Soft\apache-maven-3.8.1\mvn_repository\ch\qos\logback\logback-core\1.2.3\logback-core-1.2.3.jar;E:\Soft\apache-maven-3.8.1\mvn_repository\org\slf4j\slf4j-api\1.7.25\slf4j-api-1.7.25.jar" com.rg.thread.ExerciseSell
//解释:
//window下执行多次 java文件的脚本(可用于测试观察文件多次执行的结果)
//从1开始,每次递增1,循环到10 cp:类路径 "当前路径,所需jar包路径"
分析并修改代码可能存在线程安全的部分
- 寻找临界区(多个线程对共享变量的读写操作的区域)
再次运行：
3.7.2 转账练习
测试下面代码是否存在线程安全问题，并尝试改正
/**
* @author lxy
* @version 1.0
* @Description 转账案例
* @date 2022/6/10 15:53
*/
@Slf4j(topic = "c.ExerciseTransfer")
public class ExerciseTransfer {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Account a = new Account(1000);
Account b = new Account(1000);
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
a.transfer(b, randomAmount());//a向b转一个随机金额
}
}, "t1");
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
b.transfer(a, randomAmount());//b向a转一个随机金额
}
}, "t2");
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
//查看转账2000次后的总金额
log.debug("total:{}",(a.getMoney()+b.getMoney()));
}
// Random 为线程安全
static Random random = new Random();
//随机 1-100
public static int randomAmount(){
return random.nextInt(100);
}
}
// 账户
class Account{
private int money;
public Account(int money) {
this.money = money;
}
public int getMoney() {
return money;
}
public void setMoney(int money) {
this.money = money;
}
//转账
public void transfer(Account target,int amount){
if(this.money >= amount){
this.setMoney(this.getMoney()- amount);//转账者金额减少
target.setMoney(target.getMoney()+amount);//收款者金额增加
}
}
}
运行结果：
分析：
修改：
3.8 Monitor 概念
3.8.1 Java 对象头
以 32 位虚拟机为例
普通对象
|--------------------------------------------------------------|
| Object Header (64 bits) |
|------------------------------------|-------------------------|
| Mark Word (32 bits) | Klass Word (32 bits) |
|------------------------------------|-------------------------|
- klass word：指向类型元数据的指针。比如 student类型的对象，指向Student类型
数组对象
|---------------------------------------------------------------------------------|
| Object Header (96 bits) |
|--------------------------------|-----------------------|------------------------|
| Mark Word(32bits) | Klass Word(32bits) | array length(32bits) |
|--------------------------------|-----------------------|------------------------|
其中 Mark Word 结构为
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| Mark Word (32 bits) | State |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| hashcode:25 | age:4 | biased_lock:0 | 01 | Normal |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| thread:23 | epoch:2 | age:4 | biased_lock:1 | 01 | Biased |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| ptr_to_lock_record:30 | 00 | Lightweight Locked |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| ptr_to_heavyweight_monitor:30 | 10 | Heavyweight Locked |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| | 11 | Marked for GC |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
- hashcode:每个对象都有一个hashcode值
- age:垃圾回收时的分代年龄
- biased_lock:是否偏向锁
- 加锁状态
- ptr_to_heavyweight_monitor：指向操作系统中monitor的指针
- ptr_to_lock_record：锁记录地址
以Integer对象为例，占 8 + 4 个字节(对象头 + value)，基本类型int占 4个字节
3.8.2 原理之 Monitor(锁)
详细 见 《JUC并发编程 - 原理篇》Monitor 原理 | synchronized 原理 （持续更新中…）
3.8.3 原理之 synchronized
详细 见 《JUC并发编程 - 原理篇》Monitor 原理 | synchronized 原理 （持续更新中…）
3.8.4 小故事
- 故事角色
- 老王 - JVM
- 小南 - 线程
- 小女 - 线程
- 房间 - 对象
- 房间门上 - 防盗锁 - Monitor
- 房间门上 - 小南书包 - 轻量级锁
- 房间门上 - 刻上小南大名 - 偏向锁
- 批量重刻名 - 一个类的偏向锁撤销到达 20 阈值
- 不能刻名字 - 批量撤销该类对象的偏向锁，设置该类不可偏向
小南要使用房间保证计算不被其它人干扰（原子性），最初，他用的是防盗锁（Monitor），当上下文切换时，锁住门。这样，即使他离开了，别人也进不了门，他的工作就是安全的。— 重量级锁
但是，很多情况下没人跟他来竞争房间的使用权。小女是要用房间，但使用的时间上是错开的，小南白天用，小女晚上用。每次上锁太麻烦了，有没有更简单的办法呢？— 挂书包（轻量级锁）
小南和小女商量了一下，约定不锁门了，而是谁用房间，谁把自己的书包挂在门口，但他们的书包样式都一样，因此每次进门前得翻翻书包，看课本是谁的，如果是自己的，那么就可以进门，这样省的上锁解锁了。万一书包不是自己的，那么就在门外等，并通知对方下次用锁门的方式（存在竞争时，锁升级，轻量级 --> 重量级）。
后来，小女回老家了，很长一段时间都不会用这个房间。小南每次还是挂书包，翻书包，虽然比锁门省事了，但仍然觉得麻烦。
于是，小南干脆在门上刻上了自己的名字：【小南专属房间，其它人勿用】，（偏向锁）下次来用房间时，只要名字还在，那么说明没人打扰，还是可以安全地使用房间。如果这期间有其它人要用这个房间，那么由使用者将小南刻的名字擦掉，升级为挂书包的方式。（存在竞争时，锁升级，偏向锁 --> 轻量级锁）
同学们都放假回老家了，小南就膨胀了，在 20 个房间刻上了自己的名字，想进哪个进哪个。后来他自己放假回老家了，这时小女回来了（她也要用这些房间），结果就是得一个个地擦掉小南刻的名字，升级为挂书包的方式。老王(JVM)觉得这成本有点高，提出了一种批量重刻名的方法，他让小女不用挂书包了，可以直接在门上刻上自己的名字(批量重偏向)
后来，刻名的现象越来越频繁，老王受不了了：算了，这些房间都不能刻名了，只能挂书包(不可偏向)
3.8.5 原理之 synchronized 进阶
详细 见 《JUC并发编程 - 原理篇》Monitor 原理 | synchronized 原理 （持续更新中…）
