java多线程编程(二)一一＞线程安全问题, 单例模式, 解决程线程安全问题的措施

引言： 

如果多线程环境下代码运行的结果是符合我们预期的，即在单线程环境应该的结果，则说这个程序是线程安全的

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线程安全问题的原因：

一.操作系统的随机调度 ：

二.多个线程修改同一个变量： 

三.修改操作不是原子的 ：

四.内存可见性 ：

五.指令重排序：  

解决上述的线程安全问题的措施：   

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线程安全问题的原因：

 一.操作系统的随机调度 ：  

1. 这是线程安全问题的 罪魁祸首 随机调度使⼀个程序在多线程环境下, 执行顺序存在很多的变数.

例子：这个代码返回结果就是随机调度的体现 

 现象： 

class MyThread extends Thread {@Overridepublic void run() {while (true) {System.out.println("这⾥是t线程运⾏的代码");try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}
}public class Demo1 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {MyThread t = new MyThread();t.start();while (true) {System.out.println("这里是主线程");Thread.sleep(1000);}}
}

现象： 

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二.多个线程修改同一个变量： 

上⾯的线程不安全的代码中, 涉及到多个线程针对 count 变量进行修改.

此时这个 count 是⼀个多个线程都能访问到的 "共享数据" 

 

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例子：下面这个代码应该预期应该自增10w次，但是由于线程安全问题，达不到预期 

public class Demo11 {private static int count = 0;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 50000; i++) {count++;}System.out.println("t1 结束");});Thread t2 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 50000; i++) {count++;}System.out.println("t2 结束");});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();// 一个线程自增 5w 次, 两个线程, 总共自增 10w 次. 预期结果, count = 10wSystem.out.println(count);}
}

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三.修改操作不是原子的 ： 

这里我们count++，时候站在操作系统层面，我们要进行大致三步：

load：把count的值读到寄存器里 

add： 把寄存器中的内容加1

save:  把寄存器写回内存  

进行以上以上操作时候由于操作系统随机调度多个线程之间，可能出现数据被覆盖的情况，这就是操作不原子的体现： 

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四.内存可见性 ： 

这个问题可以引入Java内存模型说明： 

线程之间的共享变量存在 主内存 (Main Memory).(主内存就是泛指的内存)

每⼀个线程都有自己的 "工作内存" (Working Memory) .(工作内存指的是CPU 的寄存器和高速缓存L1,L2,L3)

当线程要读取一个共享变量的时候, 会先把变量从主内存拷贝到工作内存(CPU 的寄存器), 再从工作内存(CPU 的寄存器),读取数据。 

其实是通过jvm和编译器来实现优化，把读内存优化为读寄存器了,有时候这个优化逻辑不符合我们的预期的逻辑出现细节上的偏差，就导致内存可见性问题

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代码实例：一个线程读取一个线程修改
这个循环条件的flag判断是条件跳转指令cmp是寄存器操作会很快，while会循环很多次，jvm觉得每次觉得读到的都是0，直接就把 读内存优化为读寄存器了， 此时寄存器的值为0，此时用户输入 1 想结束线程时，t1线程读不到这个在内存中(主内存)的值，所以这个t1线程结束不了

public static void main(String[] args) {Thread t1 = new Thread(()->{while (flag == 0){}System.out.println("t1线程结束");});Thread t2 = new Thread(()->{Scanner in = new Scanner(System.in);System.out.println("请输入flag的值");flag = in.nextInt();});t1.start();t2.start();}

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五.指令重排序：

要说清楚这个问题就要引入一种设计模式：单例模式

 单例模式： 

单例模式能保证某个类在程序中只存在唯⼀⼀份实例, 而不会创建出多个实例，不能创建多个对象，这里有两种写法：饿汉模式和懒汉模式： 

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1.饿汉模式：  类加载的同时, 创建实例：  

类加载时就new对象所以成为饿汉模式，注意构造方法私有化，防止类外多次实例化。

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class Singleton {private static Singleton instance = new Singleton();//类加载时就new对象//构造方法私有化，防止类外被实例化多个对象private Singleton() {}public static Singleton getInstance() {return instance;}
}​

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2.懒汉模式-单线程版：  

懒汉模式，能不实例化就不实例化所以的懒汉， 第⼀次使用的时候才创建实例

class Singleton {private static Singleton instance = null;private Singleton() {}public static Singleton getInstance() {if (instance == null) {instance = new Singleton();}return instance;}
}

 但是这个在多线程下还是存在线程安全问题的，而且还有一个指令重排序问题 。

 就算加锁(结合下面看看)，解决了线程安全问题，但是instance = new Singleton();

new对象操作，细分为这三步：

1 .申请内存空间

2.构造对象(初始化)

3.内存空间首地址，赋值给引用变量  

由于指令重排序，可能会改变顺序,顺序可能从1，2，3一一>1，3，2  

在这个代码情况下就可能，在类外调用，getInstance方法拿到未初始化的对象导致线程安全问题。

 

class Singleton {private static Singleton instance = null;private static Object locker = new Object(); private Singleton() {}public synchronized static Singleton getInstance() {if(instance == null) {//进一步优化效率,减少锁的阻塞状态,(instance == null才加锁才new对象)synchronized(locker){if (instance == null) {instance = new Singleton();}}}return instance;}}

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解决上述的线程安全问题的措施：   

操作系统的随机调度 是操作系统，计算机一脉传承，不能解决，

接下来我们围绕三~四~五~展开 

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三.修改操作不是原子的 ： 

这里我们可以把相关的操作打包起来，就是引入锁：

synchronized 关键字 - 监视器锁 monitor lock ：

synchronized 会起到互斥效果, 某个线程执⾏到某个对象的 synchronized 中时, 其他线程如果也执行 到同⼀个对象 synchronized 就会阻塞等待.

进⼊ synchronized 修饰的代码块, 相当于 加锁

退出 synchronized 修饰的代码块, 相当于 解锁 

 就和上厕所一样：

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理解 "阻塞等待"：

针对每⼀把锁, 操作系统内部都维护了⼀个等待队列. 当这个锁被某个线程占有的时候, 其他线程尝试 进行加锁, 就加不上了, 就会阻塞等待, ⼀直等到之前的线程解锁之后, 由操作系统唤醒⼀个新的线程, 再来获取到这个锁。

注意：这里还有一种应用程序级别的忙等，不涉及操作系统

三.的解决代码：

这里注意两个线程要加他一把锁，才有互斥的效果。 

 

 private static int count = 0;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Object locker = new Object();Thread t1 = new Thread(() -> {synchronized (locker) {for (int i = 0; i < 50000; i++) {count++;}}System.out.println("t1 结束");});Thread t2 = new Thread(() -> {synchronized (locker) {for (int i = 0; i < 50000; i++) {count++;}}System.out.println("t2 结束");});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();// 一个线程自增 5w 次, 两个线程, 总共自增 10w 次. 预期结果, count = 10wSystem.out.println(count);}

  

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四.内存可见性解决：  

这里引入volatile关键字：

1.volatile 能保证每次读取操作都是读内存

2.volatile 能保证变量的读取和修改不会出发指令重排序 

​public class{
public volitile static int flag = 0 //这样修饰变量编译器就不会优化了
public static void main(String[] args) {Thread t1 = new Thread(()->{while (flag == 0){}System.out.println("t1线程结束");});Thread t2 = new Thread(()->{Scanner in = new Scanner(System.in);System.out.println("请输入flag的值");flag = in.nextInt();});t1.start();t2.start();}​}

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五.指令重排序：

饿汉模式是没有线程安全问题和指令重排序的，因为都是读操作

懒汉模式下就会有：

我们也加上volatile关键字：

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class Singleton {private static volatile Singleton instance = null;//加上volatile private static Object locker = new Object(); private Singleton() {}public synchronized static Singleton getInstance() {if(instance == null) {//进一步优化效率,减少锁的阻塞状态,(instance == null才加锁才new对象)synchronized(locker){if (instance == null) {instance = new Singleton();}}}return instance;}}​