Java 多线程线程安全（面试概念解答二）

Java 多线程线程安全

什么是线程安全？
为什么有线程安全问题？
线程安全解决办法？
同步代码块
同步函数
静态同步函数
多线程死锁
多线程的三大特性
- 原子性
- 可见性
- 有序性
Java内存模型
Volatile 关键字
AtomicInteger原子类
volatile与synchronized区别

什么是线程安全？

当一个线程在同一时刻共享同一个全局变量或静态变量时，可能会受到其他线程的干扰，导致数据有问题，这种现象就叫线程安全问题。

为什么有线程安全问题？

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，但是做读操作时不会发生数据冲突问题。

线程安全解决办法？

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

2、为什么使用线程同步或使用锁能解决线程安全问题呢？
答：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。

3、什么是多线程之间同步？
答：当多个线程共享同一个资源,不会受到其他线程的干扰。

同步代码块

1、什么是同步代码块？
答：就是将可能会发生线程安全问题的代码，用synchronized给包括起来。

synchronized(同一个数据) {// 可能会发生线程冲突问题
}

synchronized(对象) {//这个对象可以为任意对象 // 需要被同步的代码
}

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：

必须有两个或者两个以上的线程
必须是多个线程使用同一个锁
必须保证同步中只能有一个线程在运行

同步的好处：
解决了多线程的安全问题

同步的弊端：
多个线程需要判断锁，较为消耗资源、抢锁的资源。

同步函数

1、什么是同步函数？
答：在方法上修饰 synchronized 称为同步函数

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--;}}

同步函数使用的是 this 锁
证明方式：一个线程使用同步代码块（this明锁），另一个线程使用同步函数。如果两个线程抢票不能实现同步，那么会出现数据错误。


package cn.icloudit;class ThreadTrain2 implements Runnable {private int count = 100;public boolean flag = true;private static Object oj = new Object();@Overridepublic void run() {if (flag) {while (count > 0) {synchronized (this) {if (count > 0) {try {Thread.sleep(50);} catch (Exception e) {// TODO: handle exception}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售第" + (100 - count + 1) + "票");count--;}}}} else {while (count > 0) {sale();}}}public synchronized 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) {try {Thread.sleep(50);} catch (Exception e) {// TODO: handle exception}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售第" + (100 - count + 1) + "票");count--;}// }}
}public class ThreadDemo2 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {ThreadTrain2 threadTrain1 = new ThreadTrain2();Thread t1 = new Thread(threadTrain1, "①号窗口");Thread t2 = new Thread(threadTrain1, "②号窗口");t1.start();Thread.sleep(40);threadTrain1.flag = false;t2.start();}
}

静态同步函数

1、什么是静态同步函数？
答：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
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) {}
}

总结：
synchronized 修饰方法使用锁是当前 this 锁。
synchronized 修饰静态方法使用锁是当前类的 字节码文件。

多线程死锁

什么是多线程死锁？
答：同步中嵌套同步，导致锁无法释放

package cn.icloudit;class ThreadTrain6 implements Runnable {// 这是货票总票数,多个线程会同时共享资源private int trainCount = 100;public boolean flag = true;private Object mutex = new Object();@Overridepublic void run() {if (flag) {while (true) {synchronized (mutex) {// 锁(同步代码块)在什么时候释放？ 代码执行完， 自动释放锁.// 如果flag为true 先拿到 obj锁,在拿到this 锁、 才能执行。// 如果flag为false先拿到this,在拿到obj锁，才能执行。// 死锁解决办法:不要在同步中嵌套同步。sale();}}} else {while (true) {sale();}}}public synchronized void sale() {synchronized (mutex) {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--;}}}
}public class DeadlockThread {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {ThreadTrain6 threadTrain = new ThreadTrain6(); // 定义 一个实例Thread thread1 = new Thread(threadTrain, "一号窗口");Thread thread2 = new Thread(threadTrain, "二号窗口");thread1.start();Thread.sleep(40);threadTrain.flag = false;thread2.start();}}

多线程的三大特性

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。

一个很经典的例子就是银行账户转账问题：
比如从账户A向账户B转1000元，那么必然包括2个操作：从账户A减去1000元，往账户B加上1000元。这2个操作必须要具备原子性才能保证不出现一些意外的问题。

我们操作数据也是如此，比如i = i+1；其中就包括，读取i的值，计算i，写入i。这行代码在Java中是不具备原子性的，则多线程运行肯定会出问题，所以也需要我们使用同步和lock这些东西来确保这个特性了。

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。

若两个线程在不同的cpu，那么线程1改变了i的值还没刷新到主存，线程2又使用了i，那么这个i值肯定还是之前的，线程1对变量的修改线程没看到这就是可见性问题。

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。如下：
int a = 10; //语句1
int r = 2; //语句2
a = a + 3; //语句3
r = a*a; //语句4
则因为重排序，他还可能执行顺序为 2-1-3-4，1-3-2-4
但绝不可能 2-1-4-3，因为这打破了依赖关系。

显然重排序对单线程运行是不会有任何问题，而多线程就不一定了，所以我们在多线程编程时就得考虑这个问题了。

Java内存模型

共享内存模型指的就是Java内存模型(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。

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 关键字

什么是 Volatile 关键字？
答：Volatile 关键字的作用是变量在多个线程之间可见。

class ThreadVolatileDemo extends Thread {public    boolean flag = true;@Overridepublic 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);}
}

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

Volatile非原子性

public class VolatileNoAtomic extends Thread {private static volatile int count;// private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);private static void addCount() {for (int i = 0; i < 1000; i++) {count++;// count.incrementAndGet();}System.out.println(count);}public void run() {addCount();}public static void main(String[] args) {VolatileNoAtomic[] arr = new VolatileNoAtomic[100];for (int i = 0; i < 10; i++) {arr[i] = new VolatileNoAtomic();}for (int i = 0; i < 10; i++) {arr[i].start();}}}

结果发现数据不同步，因为Volatile不用具备原子性。

AtomicInteger原子类

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);@Overridepublic 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与synchronized区别

仅靠volatile不能保证线程的安全性。（原子性）

volatile轻量级，只能修饰变量。synchronized重量级，还可修饰方法；
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。