多线程并发环境下，数据的安全问题&&线程池

1.多线程并发环境下，数据的安全问题

1.1为什么这个是重点？

在服务器上运行的项目都是在多线程环境下进行的，线程的定义、线程对象的创建以及线程的启动等都已经由服务器实现，我们无需编写这些代码。

然而，我们需要关注的是在多线程并发的环境下，数据是否安全。

1.2什么时候数据在多线程并发的环境下会存在安全问题呢？

当满足以下三个条件时，数据就有可能存在线程安全问题：

多线程并发。
存在共享数据。
共享数据被修改。

只有满足以上三个条件，线程安全问题才会出现。

1.3怎么解决线程安全问题呢？

当在多线程并发的环境下，存在共享数据，并且这些数据会被修改时，就会出现线程安全问题。那么如何解决呢？

可以通过让线程排队执行来解决线程安全问题，即将多线程改为串行执行。

这种机制被称为线程同步机制。

1.4两个专业术语：

异步编程模型： 线程之间相互独立，各自执行各自的任务，不需要等待。

同步编程模型： 线程之间发生等待关系，一个线程必须等待另一个线程执行完成后才能继续执行。

2.线程安全

2.1synchronized-线程同步

使用synchronized实现线程同步的语法为：

java 复制代码

synchronized(共享对象){
    // 线程同步代码块
}

在这里，共享对象是非常关键的。它必须是多个线程共享的对象，才能实现线程排队。

2.1.1()中写什么？

取决于希望哪些线程进行同步。

假设有线程t1、t2、t3、t4、t5，希望t1、t2、t3进行同步，而t4、t5不需要同步时，可以在括号中写一个t1、t2、t3共享的对象，对于t4、t5来说这个对象不是共享的，所以它们不会被同步。示例代码如下：

java 复制代码

public class ThreadSafeExample {
    // 共享对象
    private Object lock = new Object();

    public void synchronizedMethod() {
        synchronized (lock) {
            // 线程同步代码块
        }
    }
}

在上面的示例中，只有在调用synchronizedMethod()方法时，才会进行线程同步。其他非同步的方法则不受影响。

2.1.2 synchronized关键字的应用场景

多线程对共享资源进行读写操作时，使用synchronized可以确保数据的一致性。
在并发场景下，需要保护共享资源的完整性和正确性时，使用synchronized可以防止多个线程同时修改数据导致的问题。
在实现单例模式、生产者消费者模式等需要线程同步的设计模式中，可以使用synchronized来实现线程同步。

2.2volatile-保证可见性

volatile关键字用于修饰共享变量，保证了可见性和禁止指令重排序。

2.2.1 什么是可见性？

可见性是指当一个线程修改了共享变量的值后，其他线程能够立即看到最新的值。

2.2.2 volatile关键字的作用

保证共享变量对所有线程的可见性，当一个线程修改了共享变量的值后，其他线程能够立即看到最新的值。
禁止指令重排序，保证指令执行的顺序和代码中的顺序一致。

2.2.3 volatile关键字的使用场景

对于多个线程共享的变量，在一个线程中修改了该变量的值后，其他线程需要立即看到最新的值时，可以使用volatile来保证可见性。
在单例模式的双重检查锁定中，使用volatile关键字可以防止指令重排序，保证线程安全。

需要注意的是，volatile关键字只能保证可见性和禁止指令重排序，并不能保证原子性。如果需要保证原子性，可以使用synchronized关键字或者使用java.util.concurrent包下的原子类。

2.2.4 volatile关键字的使用

在Java中，我们可以使用volatile关键字来修饰实例变量或静态变量，确保它们的可见性和有序性。当一个变量被声明为volatile时，所有线程都能够看到这个变量的最新值，而不管它是在哪个线程中修改的。

java 复制代码

public class VolatileExample {
    private volatile boolean flag = false;

    public void setFlag(boolean flag) {
        this.flag = flag;
    }

    public boolean isFlag() {
        return flag;
    }
}

在上面的示例中，flag变量被声明为volatile，表示尽管它在一个线程中被修改，其他线程也能够立即看到这个最新值。因此，setFlag()和isFlag()方法都是线程安全的。

2.2.5 volatile关键字的使用场景

1. 可见性问题

当多个线程访问同一个共享变量时，如果其中一个线程修改了这个变量的值，其他线程并不一定能够立即看到这个最新值，这就会导致数据不一致的问题。因此，我们需要使用volatile关键字来保证可见性。

java 复制代码

public class VisibilityDemo {
    private volatile boolean flag = false;

    public void setFlag(boolean flag) {
        this.flag = flag;
    }

    public void printFlag() {
        System.out.println(flag);
    }
}

在上面的示例中，flag变量被声明为volatile，确保了它的可见性。如果没有使用volatile，那么printFlag()方法可能会输出旧值，因为其他线程可能还没有看到最新的值。

2. 禁止指令重排序

在JVM中，由于处理器的运行速度和缓存系统等因素的影响，可能会对指令进行重排序，这就可能会导致程序的正确性受到影响。使用volatile关键字可以防止指令重排序，确保指令执行的顺序和代码中的顺序一致。

java 复制代码

public class SingletonDemo {
    private volatile static SingletonDemo instance;

    private SingletonDemo() {}

    public static SingletonDemo getInstance() {
        if (instance == null) {  // 第一次检查
            synchronized (SingletonDemo.class) {
                if (instance == null) {  // 第二次检查
                    instance = new SingletonDemo();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

在上面的示例中，instance变量被声明为volatile，保证了它的可见性和禁止指令重排序。

2.3 Lock-显示锁

除了使用synchronized关键字外，还可以使用java.util.concurrent.locks包下的Lock接口及其实现类来实现线程同步。

通过显式地获取锁和释放锁，可以更灵活地控制线程的同步。

2.3.1 Lock的基本用法

java 复制代码

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ThreadSafeExample {
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    public void synchronizedMethod() {
        lock.lock();
        try {
            // 线程同步代码块
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

在上面的示例中，通过创建一个ReentrantLock对象作为锁，然后使用lock()方法获取锁，在线程同步代码块执行完成后使用unlock()方法释放锁。

与synchronized不同，Lock接口还提供了一些额外的功能，比如可以在指定时间内尝试获取锁、可中断的获取锁等。

2.3.2 Lock的灵活性和注意事项

使用Lock接口可以获得更灵活的线程同步，但也需要注意以下几点：

必须在finally块中释放锁，以确保锁在异常情况下仍能被正确释放。
需要手动获取和释放锁，容易出现忘记释放锁导致死锁的问题。
可以通过tryLock()方法尝试获取锁并返回布尔值来避免线程阻塞，但需要注意处理获取锁失败的情况。
如果多次对lock()方法进行调用，必须相应多次调用unlock()方法，否则会导致其他线程无法获取锁而发生死锁。

2.4 ThreadLocal-线程局部变量

在多线程环境下，使用ThreadLocal可以实现线程安全的局部变量。

ThreadLocal为每个线程提供了独立的变量副本，每个线程都可以独立地修改自己的副本，而不会影响其他线程的副本。

2.4.1 ThreadLocal的基本用法

java 复制代码

public class ThreadLocalExample {
    private static ThreadLocal<String> threadLocal = new ThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) {
        threadLocal.set("Hello, World!");

        String value = threadLocal.get();
        System.out.println(value); // 输出：Hello, World!

        threadLocal.remove();
    }
}

在上面的示例中，通过ThreadLocal的set()方法设置线程局部变量的值，通过get()方法获取线程局部变量的值，通过remove()方法清除线程局部变量。

每个线程都有自己独立的线程局部变量副本，互不干扰。

2.4.2 ThreadLocal的应用场景

在多线程环境下，需要保存每个线程自己的状态或数据时，可以使用ThreadLocal来实现线程安全。
在Web开发中，每个请求对应一个线程，可以使用ThreadLocal来保存当前请求的用户信息、请求参数等，方便在不同的组件中访问。

需要注意的是，ThreadLocal并不能解决共享数据的线程安全问题，它只是提供了一种线程局部的机制。要确保共享数据的线程安全，还需要结合其他线程同步方法来使用。

2.5 线程池

线程池是管理和复用线程的一种机制。通过使用线程池，可以减少线程创建和销毁的开销，并提高系统的性能和资源利用率。

Java提供了java.util.concurrent包下的Executor框架，其中的ExecutorService接口和ThreadPoolExecutor类可以用于创建和管理线程池。

2.5.1 创建线程池

可以使用Executors类提供的静态方法来创建不同类型的线程池。

java 复制代码

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ThreadPoolExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个固定大小的线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);

        // 提交任务给线程池执行
        executorService.execute(new MyTask());

        // 关闭线程池
        executorService.shutdown();
    }

    private static class MyTask implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            // 任务执行逻辑
        }
    }
}

在上面的示例中，通过Executors.newFixedThreadPool()方法创建一个固定大小的线程池，然后使用execute()方法提交任务给线程池执行。最后使用shutdown()方法关闭线程池。

2.5.2 线程池的工作原理

线程池内部通过一个任务队列来保存等待执行的任务，并根据需要创建或销毁线程。当有任务提交给线程池时，线程池会从任务队列中取出任务，并将其分配给空闲的工作线程执行。

线程池还可以控制并发线程的数量、处理超时和异常情况等。

2.5.3 线程池的优势和注意事项

使用线程池可以带来以下优势：

降低线程创建和销毁的开销，减少系统资源的消耗。
提高系统的性能和吞吐量，避免因频繁创建线程导致的线程过多而系统崩溃。
可以对线程进行统一的管理和监控，提供更好的可扩展性和稳定性。

在使用线程池时需要注意以下几点：

需要选择合适的线程池大小，避免线程数过多导致资源浪费，或者线程数过少导致任务处理不及时。
在使用完线程池后需要及时关闭，释放资源。
需要合理处理任务的拒绝策略，避免任务被丢弃。
尽量使用submit()方法而不是execute()方法来提交任务，以便获取任务执行的结果。

以上就是Java中常用的线程同步和线程池的相关内容,可以相互学习.