【Java并发编程】并发：线程安全三要素及解决方案

并发编程的本质其实就是利用多线程技术，在现代多核的CPU的背景下，催生了并发编程的趋势，通过并发编程的形式可以将多核CPU的计算能力发挥到极致，性能得到提升。除此之外，面对复杂业务模型，并行程序会比串行程序更适应业务需求，而并发编程更能吻合这种业务拆分 。

即使是单核处理器也支持多线程执行代码，CPU通过给每个线程分配CPU时间片来实现 这个机制。时间片是CPU分配给各个线程的时间，因为时间片非常短，所以CPU通过不停地切换线程执行，让我们感觉多个线程是同时执行的，时间片一般是几十毫秒（ms）。

并发不等于并行：并发指的是多个任务交替进行，而并行则是指真正意义上的“同时进行”。实际上，如果系统内只有一个CPU，而使用多线程时，那么真实系统环境下不能并行， 只能通过切换时间片的方式交替进行，而成为并发执行任务。真正的并行也只能出现在拥有多个CPU的系统中。

并发的优点：

1. 充分利用多核CPU的计算能力
2. 方便进行业务拆分，提升应用性能；

并发产生的问题：

1. 高并发场景下，导致频繁的上下文切换
2. 临界区线程安全问题，容易出现死锁的，产生死锁就会造成系统功能不可用
3. 其它

CPU通过时间片分配算法来循环执行任务，当前任务执行一个时间片后会切换到下一个任务。但是，在切换前会保存上一个任务的状态，以便下次切换回这个任务时，可以再加载这个任务的状态。所以任务从保存到再加载的过程就是一次上下文切换。

1.可见性

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到修改的值。

解决方案

1）JMM 提供了 volatile

2）synchronized（当程序除了要保证可见性，还要保证原子性时）

2.有序性

• 若在本线程内观察，所有操作是有有序的
• 若在一个线程观察另一个线程，所有操作时无序的
• 在 JVM 中，为了效率允许编译器和处理器对指令进行重排序

解决方案

1）Java内存模型具备一些先天的“有序性”，即不需要通过任何手段就能够得到保证的有序性

• as-if-seria（线程内）

  • 指令重排必须保证，单线程内重排序后执行结果不变。
  • 为了遵守as-if-serial语义，编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序，因为这种重排序会改变执行结果。但是，如果操作之间不存在数据依赖关系，这些操作就可能被编译器和处理器重排序。

• happens-before（多线程)（JDK5，JSR-133内存模型）

  • 程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before于该线程任意后续操作
  • start()规则：线程的start()方法先于它的每一个动作，即如果线程A在执行线程B的 start方法之前修改了共享变量的值，那么当线程B执行start方法时，线程A对共享变量 的修改对线程B可见
  • join()规则：Thread.join()方法的作用是等待当前执行的线程终止。假设在线程B终止之前，修改了共享变量，线程A从线程B的join方法成功返回后，线程B对共享变量的修改将对线程A可见。
  • volatile变量规则：volatile变量的写，先发生于读，这保证了volatile变量的可见性，简单 的理解就是，volatile变量在每次被线程访问时，都强迫从主内存中读该变量的值，而当 该变量发生变化时，又会强迫将新的值刷新到主内存，任何时刻，不同的线程总是能 够看到该变量的新值
  • 监视器锁规则：解锁(unlock)操作必然发生在后续的同一个锁的加锁(lock)之前，也就是说， 如果对于一个锁解锁后，再加锁，那么加锁的动作必须在解锁动作之后(同一个锁)
  • 传递性：如果A happens-before B，B happens-before C ，那么 A happens-before C
  • 线程中断规则：对线程 interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中 断事件的发生，可以通过Thread.interrupted()方法检测线程是否中断
  • 对象终结规则：对象的构造函数执行，结束先于finalize()方法

2）还可以使用 volatile 和 synchronized 两个关键字来保证有序性（当默认的规则无法实现时，比如DCL单例）

3.原子性

一个线程执行一段代码时不被打断，要么都成功，要么都失败

注意：我们可以大致认为基本类型变量的读写是具备原子性的

解决方案

1）悲观锁：synchronized 关键字，JVM 级别锁

注意：由于JMM 定义的 lock 相关规则，synchronized 除了保证原子性还能保证可见性和有序性

• 可见性：对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中，即执行store和write操作
• 有序性：一个变量同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作

2）乐观锁：自旋+CAS（比如 AtomicInteger 的自增操作）

注意：这种方案无法保证可见性，一般配合 volatile 使用。