二. 线程安全
二. 线程安全
0. 锁
0.1 为什么需要锁（并发控制）？
在多用户环境中，在同一时间可能会有多个用户更新相同的记录，这会产生冲突。这就是著名的并发性问题。
典型的冲突有：
- 丢失更新：一个事务的更新覆盖了其它事务的更新结果，就是所谓的更新丢失。例如：用户A把值从6改为2，用户B把值从2改为6，则用户A丢失了他的更新。
- 脏读：当一个事务读取其它完成一半事务的记录时，就会发生脏读取。例如：用户A,B看到的值都是6，用户B把值改为2，用户A读到的值仍为6。
- 为了解决这些并发带来的问题。 我们需要引入并发控制机制。
0.2 并发控制机制（锁）
- 悲观锁
- 总是假设最坏的情况，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在拿数据的时候都会上锁，这样别人想拿这个数据就会阻塞直到它拿到锁（共享资源每次只给一个线程使用，其它线程阻塞，用完后再把资源转让给其它线程）。
- 传统的关系型数据库里边就用到了很多这种锁机制，比如行锁，表锁等，读锁，写锁等，都是在做操作之前先上锁。
- Java中synchronized和ReentrantLock等独占锁就是悲观锁思想的实现。
- 乐观锁
- 总是假设最好的情况，每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据，可以使用版本号机制和CAS算法实现。
- 乐观锁适用于多读的应用类型，这样可以提高吞吐量，像数据库提供的类似于write_condition机制，其实都是提供的乐观锁。
- 在Java中java.util.concurrent.atomic包下面的原子变量类就是使用了乐观锁的一种实现方式CAS实现的。
0.3 两种锁的使用场景
- 乐观锁适用于写比较少的情况下（多读场景），即冲突真的很少发生的时候，这样可以省去了锁的开销，加大了系统的整个吞吐量。
- 但如果是多写的情况，一般会经常产生冲突，这就会导致上层应用会不断的进行retry，这样反倒是降低了性能，所以一般多写的场景下用悲观锁就比较合适。
0.4 乐观锁的缺点
- ABA 问题
如果一个变量V初次读取的时候是A值，并且在准备赋值的时候检查到它仍然是A值，那我们就能说明它的值没有被其他线程修改过了吗？很明显是不能的，因为在这段时间它的值可能被改为其他值，然后又改回A，那CAS操作就会误认为它从来没有被修改过。这个问题被称为CAS操作的 "ABA"问题。- 循环时间长开销大
自旋CAS（也就是不成功就一直循环执行直到成功）如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。- 只能保证一个共享变量的原子操作
CAS 只对单个共享变量有效，当操作涉及跨多个共享变量时 CAS 无效。
0.5 乐观锁与悲观锁详解
1. synchronized关键字(1)
- synchronized
synchronized关键字解决的是多个线程之间访问资源的同步性，synchronized关键字可以保证被它修饰的方法或者代码块在任意时刻只能有一个线程执行。
Java并发编程这个领域中synchronized关键字一直都是元老级的角色，很久之前很多人都会称它为 "重量级锁" 。
但是，在JavaSE 1.6之后进行了主要包括为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗而引入的 偏向锁和 轻量级锁 以及其它各种优化之后变得在某些情况下并不是那么重了。synchronized的底层实现主要依靠 Lock-Free 的队列，基本思路是 自旋后阻塞，竞争切换后继续竞争锁，稍微牺牲了公平性，但获得了高吞吐量。在线程冲突较少的情况下，可以获得和CAS类似的性能；而线程冲突严重的情况下，性能远高于CAS。
1.1 变量安全性
- "非线程安全"(线程不安全) 问题存在于"实例变量"中，如果是方法内部的私有变量，则不存在"非线程安全"，所得结果也就是"线程安全"的了。
- 如果两个线程同时操作对象中的实例变量，则会出现"非线程安全"，解决办法就是在方法前加上synchronized关键字即可。
1.2 多个对象对个锁
synchronized取得的锁都是对象锁，而不是把一段代码或方法当做锁。所以在上面的实例中，哪个线程先执行带synchronized关键字的方法，则哪个线程就持有该方法所属对象的锁Lock，那么其他线程只能呈等待状态，前提是多个线程访问的是同一个对象。
1.3 synchronized方法与锁对象
synchronized取得的锁都是对象锁，而不是把一段代码或方法当做锁。如果多个线程访问的是同一个对象，哪个线程先执行带synchronized关键字的方法，则哪个线程就持有该方法，那么其他线程只能呈等待状态。
如果多个线程访问的是多个对象则不一定，因为多个对象会产生多个锁。
1.4 脏读
- 发生脏读的情况是在读取实例变量时，此值已经被其他线程更改过。
- 代码没有做同步，虽然set方法同步，但是由于get方法一般都会忘了，导致读的值是被写过的
1.5 synchronized锁重入
- 可重入锁"概念是：自己可以再次获取自己的内部锁。比如一个线程获得了某个对象的锁，此时这个对象锁还没有释放，当其再次想要获取这个对象的锁的时候还是可以获取的，如果不可锁重入的话，就会造成死锁。
1.6 同步不具有继承性
- 如果父类有一个带synchronized关键字的方法，子类继承并重写了这个方法。 但是同步不能继承，所以还是需要在子类方法中添加synchronized关键字。
2. synchronized关键字（2）
2.1 synchronized方法的缺点
- 使用synchronized关键字声明方法有些时候是有很大的弊端的，比如我们有两个线程一个线程A调用同步方法后获得锁，那么另一个线程B就需要等待A执行完，但是如果说A执行的是一个很费时间的任务的话这样就会很耗时。
可以使用synchronized同步块来解决这个问题。但是要注意synchronized同步块的使用方式，如果synchronized同步块使用不好的话并不会带来效率的提升。
2.2 synchronized（this）同步代码块的使用
public class Task {
private String getData1;
private String getData2;
public void doLongTimeTask() {
try {
System.out.println("begin task");
Thread.sleep(3000);
String privateGetData1 = "长时间处理任务后从远程返回的值1 threadName="
+ Thread.currentThread().getName();
String privateGetData2 = "长时间处理任务后从远程返回的值2 threadName="
+ Thread.currentThread().getName();
synchronized (this) {
getData1 = privateGetData1;
getData2 = privateGetData2;
}
System.out.println(getData1);
System.out.println(getData2);
System.out.println("end task");
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
}
- 当一个线程访问一个对象的synchronized同步代码块时，另一个线程任然可以访问该对象非synchronized同步代码块。
- 不在synchronized代码块中就异步执行，在synchronized代码块中就是同步执行。
2.3 synchronized（object）代码块间使用
- 两个线程使用了同一个"对象监视器",所以运行结果是同步的。
- 两个线程使用了不同的"对象监视器",所以运行结果不是同步的了。
2.4 synchronized代码块间的同步性
- 当一个对象访问synchronized(this)代码块时，其他线程对同一个对象中所有其他synchronized(this)代码块代码块的访问将被阻塞，这说明synchronized(this)代码块使用的"对象监视器"是同一个。
- 和synchronized方法一样，synchronized(this)代码块也是锁定当前对象。
- 其他线程执行对象中synchronized同步方法和synchronized(this)代码块时呈现同步效果;
- 如果两个线程使用了同一个"对象监视器",运行结果同步，否则不同步.
2.5 静态同步synchronized方法与synchronized(class)代码块
- synchronized关键字加到static静态方法和synchronized(class)代码块上都是是给Class类上锁，而synchronized关键字加到非静态方法上是给对象上锁。
- 静态同步synchronized方法与synchronized(class)代码块持有的锁一样，都是Class锁，Class锁对对象的所有实例起作用。
3. volatile关键字
3.1 volatile关键字简介
- volatile关键字可以用来提醒编译器它后面所定义的变量随时有可能改变，因此编译后的程序每次需要存储或读取这个变量的时候，都会直接从变量地址中读取数。
- 如果没有volatile关键字，则编译器可能优化读取和存储，可能暂时使用寄存器中的值，如果这个变量由别的程序更新了的话，将出现不一致的现象。
3.2 volatile关键字的可见性
- volatile 修饰的成员变量在每次被线程访问时，都强迫从主存（共享内存）中重读该成员变量的值。而且，当成员变量发生变化时，强迫线程将变化值回写到主存（共享内存）。这样在任何时刻，两个不同的线程总是看到某个成员变量的同一个值，这样也就保证了同步数据的可见性。
3.3 synchronized关键字和volatile关键字比较
- volatile关键字是线程同步的轻量级实现，所以volatile性能肯定比synchronized关键字要好。但是volatile关键字只能用于变量而synchronized关键字可以修饰方法以及代码块。synchronized关键字在JavaSE1.6之后进行了主要包括为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗而引入的偏向锁和轻量级锁以及其它各种优化之后执行效率有了显著提升，实际开发中使用synchronized关键字还是更多一些。
- 多线程访问volatile关键字不会发生阻塞，而synchronized关键字可能会发生阻塞
- volatile关键字能保证数据的可见性，但不能保证数据的原子性。synchronized关键字两者都能保证。
- volatile关键字用于解决变量在多个线程之间的可见性，而ynchronized关键字解决的是多个线程之间访问资源的同步性。
4. 等待/通知（wait/notify）机制
4.1 等待/通知机制介绍
为什么要使用等待/通知机制？
当两个线程之间存在生产和消费者关系，也就是说第一个线程（生产者）做相应的操作然后第二个线程（消费者）感知到了变化又进行相应的操作。
第二个语句不停过通过轮询机制来检测判断条件是否成立。如果轮询时间的间隔太小会浪费CPU资源，轮询时间的间隔太大，就可能取不到自己想要的数据。所以这里就需要我们今天讲到的等待/通知（wait/notify）机制来解决这两个矛盾。
概念
等待/通知机制，是指一个线程A调用了对象O的wait()方法进入等待状态，而另一个线程B调用了对象O的notify()/notifyAll()方法，线程A收到通知后退出等待队列，进入可运行状态，进而执行后续操作。上诉两个线程通过对象O来完成交互，而对象上的wait()方法和notify()/notifyAll()方法的关系就如同开关信号一样，用来完成等待方和通知方之间的交互工作。
4.2 等待/通知机制的实现
- notify()执行后并不会立即释放锁
- synchronized关键字可以将任何一个Object对象作为同步对象来看待，而Java为每个Object都实现了等待/通知（wait/notify）机制的相关方法，它们必须用在synchronized关键字同步的Object的临界区内。
- 通过调用wait()方法可以使处于临界区内的线程进入等待状态，同时释放被同步对象的锁。
- 而notify()方法可以唤醒一个因调用wait操作而处于阻塞状态中的线程，使其进入就绪状态。
- 被重新唤醒的线程会试图重新获得临界区的控制权也就是锁，并继续执行wait方法之后的代码。
4.3 notify()锁不释放
当方法wait()被执行后，锁自动被释放，但执行完notify()方法后，锁不会自动释放。必须执行完notify()方法所在的synchronized代码块后才释放。
