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JAVA多线程基础--------线程安全性

线程安全性

一个对象是否需要是线程安全的，取决于它是否被多个线程访问，而不取决于对象要实现的功能

什么是线程安全的代码
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核心：对 共享的 和 可变的 状态的访问进行管理。防止对数据发生不受控的并发访问。
何为对象的状态？
状态是指存储在对象的状态变量（例如实例或静态域）中的数据。还可能包括 其他依赖对象 的域。
eg：某个HashMap的状态不仅存储在HashMap对象本身，还存储在许多Map.Entry对象中。在这里插入图片描述
总而言之，在对象的状态中包含了任何可能影响其外部可见行为的数据。
何为共享的？
共享的 是指变量可同时被多个线程访问
何为可变的？
可变的 是指变量的值在其生命周期内可以发生变化。试想，如果一个共享变量的值在其生命周期内不会发生变化，那么在多个线程访问它的时候，就不会出现数据不一致的现象，自然就不存在线程安全性问题了。
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什么是线程安全性
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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线程将如何交替执行，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，达到预期的效果，那么就称这个类是线程安全的。

如下启动10个线程，每个线程对inc执行1000次递增，并添加一个计时线程，预期效果应为10000，而实际输出值为6880，是一个小于10000的值，并未达到预期效果，因此INS类不是线程安全的，整个程序也不是线程安全的。原因是递增操作不是原子操作，并且没有适当的同步机制

package hgh0808;
public class Test {
    public static void main(String[] args){
        for(int i = 0;i < 10;i++){
            Thread th = new Thread(new CThread());
            th.start();
        }
        TimeThread tt = new TimeThread();
        tt.start();
        try{
            Thread.sleep(21000);
        }catch(Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(INS.inc);
    }
}
---------------------------------------------------------------------
package hgh0808;
import java.util.concurrent.atomic.*;
public class TimeThread extends Thread{
    @Override
    public void run(){
        int count = 1;
        for(int i = 0;i < 20;i++){
            try{
                Thread.sleep(1000);
            }catch(Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(count++);
        }
    }
}
---------------------------------------------------------------------
package hgh0808;
public class CThread implements Runnable{
    @Override
    public void run(){
        for(int j = 0;j < 1000;j++){
            INS.increase();
        }
    }
}
---------------------------------------------------------------------
package hgh0808;
public class INS{
    public static volatile int inc = 0;
    public static void increase(){
            inc++;
    }
}
=====================================================================
执行结果：
1
2
3
4
5
6
7
8
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10
11
12
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18
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20
6880

通过synchronized加锁机制，对INS类实现同步，如下得到了正确的运行结果，很容易可以看出，主调代码中并没有任何额外的同步或协同，此时的INS类是线程安全的，整个程序也是线程安全的

package hgh0808;
public class INS{
    public static volatile int inc = 0;
    public static void increase(){
        synchronized (INS.class){
            inc++;
        }
    }
}
====================================================================
执行结果：
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
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17
18
19
20
10000

如何编写线程安全的代码
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如果当多个线程访问同一个可变的状态变量时没有使用合适的同步，那么程序就会出现错误，像上文中进行同步之前的代码
有三种方式可以修复这个问题：
*不在线程之间共享该状态变量
*将状态变量修改为不可变的变量
*在访问状态变量时使用同步
前两种方法是针对 共享 和 不变 这两个属性（见上文）解决问题，在有些情境下会违背程序设计的初衷（比如上文中INS类中的inc变量不可能不变，且在多核处理器的环境下为了提高程序性能，就需要多个线程同时处理，这样变量就必然要被多个线程共享）。
基于此，我们针对第三种方式------ 在访问状态变量时使用同步 展开讨论
在讨论第三种方式之前，我们先介绍几个简单的概念
原子性 ：一个操作序列的所有操作要么不间断地全部被执行，要么一个也没有执行
竞态条件 ：当某个计算的正确性取决于多个线程的的交替执行时序时，就会发生竞态条件。通俗的说，就是某个程序结果的正确性取决于运气时，就会发生竞态条件。（竞态条件并不总是会产生错误，还需要某种不恰当的执行时序）
常见的竞态条件类型：
*检查–执行（例如延迟初始化）
*读取–修改–写入（例如自增++操作）
针对以上两种常见的竞态条件类型，我们分别给出例子

延迟初始化（检查--执行）
--------------------------------------------------------------------
package hgh0808;
import java.util.ArrayList;
public class Test1 {
    public ArrayList<Ball> list;
    public ArrayList<Ball> getInstance(){
        if(list == null){
            list = new ArrayList<Ball>();
        }
        return list;
    }
}
class Ball{
}

大概逻辑是先判断list是否为空，若为空，创建一个新的ArrayList对象，若不为空，则直接使用已存在的ArrayList对象，这样可以保证在整个项目中list始终指向同一个对象。这在单线程环境中是完全没有问题的，但是如果在多线程环境中，list还未实例化时，A线程和B线程同时执行if语句，A和B线程都会认为list为null，A和B线程都会执行实例化语句，造成混乱。

自增++操作（读取--修改--写入）
------------------------------------------------------------------------
参考上文中为改进之前的代码（对INS类中inc的自增）

以上两个例子告诉我们，必须添加适当的同步策略，保证复合操作的原子性，防止竞态条件的出现
策略一：使用原子变量类,在java.util.concurrent.atomic包中包含了一些原子变量类
在这里插入图片描述

package hgh0808;
import java.util.concurrent.*;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;

public class INS{
    public static AtomicInteger inc = new AtomicInteger(0);
    public static void increase(){
        inc.incrementAndGet();
    }
}
====================================================================
执行结果：
1
2
3
4
5
6
7
8
9
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11
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18
19
20
10000

值得注意的是，只有一个状态变量时，可以通过原子变量类实现线程安全。但是如果有多个状态变量呢？

设想一个情景

多个线程不断产生1到10000的随机数并且发送到一个计算线程，计算线程每获取一个数字n，就计算sinx在[0,n]上的积分并打印到控制台上，为了提高程序性能，设计一个缓存机制，保存上次的数字n和积分结果（两个状态变量）。如果本次的数字和上次的数字相等，直接打印积分结果，避免重复计算。

看代码：

package hgh0808;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class Calculate extends Thread{
    private AtomicReference<Double> lastNumber  = new AtomicReference<Double>();  //缓存机制，原子变量类
    private AtomicReference<Double> lastRes = new AtomicReference<Double>();      //缓存机制，原子变量类
    private static final double N = 100000;    //将区间[0,e]分成100000份，方便定积分运算
    public void service() throws Exception{
        getData();
        Thread.sleep(10000);   //等待MyQueue队列中有一定数量的元素后，再开始从其中取元素
        while(true){
            Double e;
                if(!MyQueue.myIsEmpty()){
                     e = MyQueue.myRemove();
                }else{
                    return;
                }
            if(e.equals(lastNumber.get())){
                System.out.println(lastNumber.get()+" "+lastRes.get());
            }else{
                Double temp = integral(e);
                lastNumber.set(e);
                lastRes.set(temp);
                System.out.println(e+" "+temp);
            }
            Thread.sleep(2000);
        }
    }
    public void getData(){   //创建并启动四个获取随机数的线程，这四个线程交替向MyQueue队列中添加元素
        Thread1 th1 = new Thread1();
        Thread2 th2 = new Thread2();
        Thread3 th3 = new Thread3();
        Thread4 th4 = new Thread4();
        th1.start();
        th2.start();
        th3.start();
        th4.start();
    }
    public Double integral(double e){    //计算定积分
        double step = (e-0)/N;
        double left = 0,right = step;
        double sum = 0;
        while(right <= e){
            double mid = left+(right-left)/2;
            sum+=Math.sin(mid);
            left+=step;
            right+=step;
        }
        sum*=step;
        return sum;
    }
}
---------------------------------------------------------------------
package hgh0808;
import java.util.LinkedList;
public class MyQueue {      //由于LinkedList是线程不安全的，因此需要将其改写为线程安全类
    private static LinkedList<Double> queue = new LinkedList<>();
    synchronized public static void myAdd(Double e){
        queue.addLast(e);
    }
    synchronized public static void myClear(){
        queue.clear();
    }
    synchronized public static int mySize(){
        return queue.size();
    }
    synchronized public static boolean myIsEmpty(){
        return queue.isEmpty();
    }
    synchronized public static double myRemove(){
        return queue.removeFirst();
    }
}
-----------------------------------------------------------------------
package hgh0808;
import java.util.Random;
public class Thread1 extends Thread{
    private double data;
    @Override
    public void run(){
        while(true){
            Random random = new Random();
            data = (double) (random.nextInt(10000)+1);
            if(MyQueue.mySize() > 10000){     //由于从队列中取元素的速度低于四个线程向队列中加元素的速度，因此队列的长度是趋于扩张的，当达到一定程度时，清空队列
                MyQueue.myClear();
            }
            MyQueue.myAdd(data);
            try {
                Thread.sleep(1000);
            }catch(Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
------------------------------------------------------------------------
package hgh0808;
import java.util.Random;
public class Thread2 extends Thread{
    private double data;
    @Override
    public void run(){
        while(true){
            Random random = new Random();
            data = (double) (random.nextInt(10000)+1);
            if(MyQueue.mySize() > 10000){
                MyQueue.myClear();
            }
            MyQueue.myAdd(data);
            try {
                Thread.sleep(1000);
            }catch(Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
-----------------------------------------------------------------------
package hgh0808;
import java.util.Random;
public class Thread3 extends Thread{
    private double data;
    @Override
    public void run(){
        while(true){
            Random random = new Random();
            data = (double) (random.nextInt(10000)+1);
            if(MyQueue.mySize() > 10000){
                MyQueue.myClear();
            }
            MyQueue.myAdd(data);
            try {
                Thread.sleep(1000);
            }catch(Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
------------------------------------------------------------------------
package hgh0808;
import java.util.Random;
public class Thread4 extends Thread{
    private double data;
    @Override
    public void run(){
        while(true){
            Random random = new Random();
            data = (double) (random.nextInt(10000)+1);
            if(MyQueue.mySize() > 10000){
                MyQueue.myClear();
            }
            MyQueue.myAdd(data);
            try {
                Thread.sleep(1000);
            }catch(Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

只看Calculate线程，不看其他线程和MyQueue中的锁机制，本问题的焦点在于Calculate线程中对多个状态变量的同步策略

存在问题：

尽管对lastNumber和lastRes的set方法的每次调用都是原子的，但仍然无法同时更新lastNumber和lastRes；如果只修改了其中一个变量，那么在这两次修改操作之间，其它线程将发现不变性条件被破坏了。换句话说，就是没有足够的原子性

**当在不变性条件中涉及多个变量时，各个变量间并不是彼此独立的，而是某个变量的值会对其它变量的值产生约束。因此当更新某一个变量时，需要在同一个原子操作中对其他变量同时进行更新。

改进 ================>加锁机制 内置锁 synchronized
之所以每个对象都有一个内置锁，只是为了免去显式地创建锁对象
synchronized修饰方法就是横跨整个方法体的同步代码块
非静态方法的锁-----方法调用所在的对象
静态方法的锁-----方法所在类的class对象

public class Calculate extends Thread{
    private final AtomicReference<Double> lastNumber  = new AtomicReference<Double>();  //缓存机制，原子变量类
    private final AtomicReference<Double> lastRes = new AtomicReference<Double>();      //缓存机制，原子变量类
    private static final double N = 100000;    //将区间[0,e]分成100000份，方便定积分运算
    public void service() throws Exception{
        getData();
        Thread.sleep(10000);   //等待MyQueue队列中有一定数量的元素后，再开始从其中取元素
        while(true){
            Double e;
            synchronized (this){    //检查--执行 使用synchronized同步，防止出现竞态条件
                if(!MyQueue.myIsEmpty()){
                     e = MyQueue.myRemove();
                }else{
                    return;
                }
            }
            if(e.equals(lastNumber.get())){
                System.out.println(lastNumber.get()+" "+lastRes.get());
            }else{
                Double temp = integral(e);
                synchronized (this) {     //两个状态变量在同一个原子操作中更新
                    lastNumber.set(e);
                    lastRes.set(temp);
                }
                System.out.println(e+" "+temp);
            }
            Thread.sleep(2000);
        }
    }
    public void getData(){   //创建并启动四个获取随机数的线程，这四个线程交替向MyQueue队列中添加元素
        Thread1 th1 = new Thread1();
        Thread2 th2 = new Thread2();
        Thread3 th3 = new Thread3();
        Thread4 th4 = new Thread4();
        th1.start();
        th2.start();
        th3.start();
        th4.start();
    }
    public Double integral(double e){    //计算定积分
        double step = (e-0)/N;
        double left = 0,right = step;
        double sum = 0;
        while(right <= e){
            double mid = left+(right-left)/2;
            sum+=Math.sin(mid);
            left+=step;
            right+=step;
        }
        sum*=step;
        return sum;
    }
}

对于包含多个变量的不变性条件中，其中涉及的所有变量都需要由同一个锁来保护

synchronized (this) {     //两个状态变量在同一个原子操作中更新
                    lastNumber.set(e);
                    lastRes.set(temp);
                }

锁的重入

如果某个线程试图获得一个已经由它自己持有的锁，那么这个请求就会成功，“重入”意味着获取锁的操作的粒度是‘线程’，而不是‘调用’。

重入的一种实现方式 ：

为每个锁关联一个获取计数值和一个所有者线程。当计数值为0时，这个锁就被认为是没有被任何线程持有。当线程请求一个未被持有的锁时，JVM将记下锁的持有者，并且将获取计数值置为1。如果同一个线程再次获取这个锁，计数值将递增，当线程退出同步代码块时，计数器会相应地递减。当计数值为0时，这个锁将被释放。

如果内置锁不可重入，那么以下这段代码将发生死锁(每个doSomething方法在执行前都会获取Father上的内置锁)
----------------------------------------------------------------------
public class Father{
  public synchronized void doSomething(){
  }
}

public class Son extends Father{
   @Override
   public synchronized void doSomething(){
       System.out.println("重写");
       super.doSomething();
   }
}

线程安全性与性能和活跃性之间的平衡

活跃性：是否会发生死锁饥饿等现象
性能：线程的并发度
不良并发的应用程序：可同时调用的线程数量，不仅受到可用处理资源的限制，还受到应用程序本身结构的限制。幸运的是，通过缩小同步代码块的作用范围，可以平衡这个问题。
缩小作用范围的原则====>当执行时间较长的计算或者可能无法快速完成的操作时，一定不能持有锁！！！

悦读

道可道，非常道；名可名，非常名。 无名，天地之始，有名，万物之母。 故常无欲，以观其妙，常有欲，以观其徼。 此两者，同出而异名，同谓之玄，玄之又玄，众妙之门。

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