java并发编程可见性与线程封闭

可见性

　　所谓可见性，指的是当一个线程修改了对象的状态后，其他线程能够看到该对象发生的变化。在单线程环境下，向某个变量写入值，然后在后面的操作再读取，在这个过程中该变量的值对该线程来说总是可见。但是，在多线程环境下，可见性就不一定等到保证，例如，对于一个共享变量 share = 0 来说，线程1和线程2都进行share++ 操作，但是最终share 的结果并不一定是2。先看看一段代码

public class NoVisibility {

   private static boolean ready;

   private static int number;

   private static class ReaderThread extends Thread{
      public void run() {
         while (!ready) {
            Thread.yield(); //当前线程从运行态->就绪态，重新竞争cpu
         }
         System.out.println(number);
      }
   }

   public static void main(String[] args) {
      new ReaderThread().start();
      number = 42;
      ready = true;
   }
}

　　上面的 NoVisibility 可能会一直循环下去（虽然这种情况发生的概率很小），因为 ReaderThread 线程一直看不到主线程对ready的更新；还有另一种情况是输出结果可能是0，有人会问有输出说明 ready 已经被更新为 true，那么 number 也应该被更新了42，看起来是这样，但在jvm执行指令时会出现“指令重排序”的现象。

　　“指令重排序”指的是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。对于上面的代码，ready 和 number 谁先赋值对最终的程序结果并没有影响（对于main线程来说），故在实际执行可能先对 ready 赋值。但是要注意的是如果后面的语句对前面的语句存在依赖关系时，则不会发生“指令重排序”，例如

int a = 2;    //语句1
int r = 2;    //语句2
a = a + 3;    //语句3
r = a*a;     //语句4

语句4 的 r 依赖于语句3的 a 的处理结果，故执行时语句4不能在语句3之前执行。

　　在上面 NoVisibility 产生错误的原因是缺乏同步使得 ReadTread 线程读取了失效数据。另外有一点，对于绝大多数基本变量的读取和写入都是原子操作，但是64位的数值变量除外（如long，double），这是因为对于64位的变量，jvm允许将64位的读或写操作分解为两个32位操作，当对该变量读和写操作在不同线程进行，有可能会读取到当前值的高32位和重新赋值后的低32位，如线程1去读 long num 这个变量，还未开始读取，这时线程2对num这个变量重新赋值，先对低32位进行更新，还未更新高32位，这时线程1继续执行读取操作，于是线程1就读取了原来的高32位和更新后的低32位。

　　那么怎么使得不同线程不会读取到失效数据呢？一种简单的方式是加上内置锁，这样使得某一线程在尚未执行完同步代码块前，其他的线程无法执行同步代码块，这样就保证了每个线程都能看到共享变量的最新值；另外的一种方式是把共享变量用 volatile 修饰，线程在读取volatile 变量时总是会返回最新写入的值，关于volatile更多详细请看下面参考链接https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html。

不过这里有一个点要注意，volatile 虽然保证了变量的可见性，但并不保证原子性，这也是为什么用 volatile 修饰的 int i 变量执行 i++ 操作仍不能保证线程安全，其实这要从i++ 这个操作的原理来讲，i++包括三个操作：1、取 i 值；2、将 i+1 存入 tmp；3、i = tmp。在多线程对 valotile 修饰的 i 进行++操作时，先假设线程1执行完第2步后堵塞，这时线程2对 i 进行了更新，通知其他线程内存中的 i 已经被更新，你们应该重新取 i 值，但线程1在第3步并不需要取 i 值，而是将 tmp 值存入i。所以在使用volatile关键字是应该要记住它并不保证原子性。

线程封闭

　　什么是线程封闭？当我们访问共享变量时，通常要使用同步，一种避免使用同步的方式就是不共享数据。很显然仅在单线程内访问数据，就不需要同步，这种避免共享数据的技术就是线程封闭。在java中，较常用到的线程封闭技术是栈封闭和使用 ThreadLocal 类。

　　栈封闭：我的理解就是使用线程内部的局部变量。

　　ThreadLocal 类：这个要仔细讲讲，ThreadLocal 类为每个线程保存了一份独立的副本，每次线程执行 ThreadLocal 的 get 或 set 方法都是每次以当前线程为参数去取当前线程对象里的 ThreadLocalMap，而 ThreadLocalMap 保存着以 ThreadLocal 对象为 key 的键值对，这样就使得每个线程访问 ThreadLocal 变量互不干扰。先来看看ThreadLocal类怎么使用。

public class Test {
   private static ThreadLocal<Connection> conn
      = new ThreadLocal<Connection>() {
      // 重写 ThreadLocal类里的initialValue()方法
      public Connection initialValue() {
         try {
            return DriverManager.getConnection("DB_URL");//取得某一数据库连接
         } catch (SQLException e) {
            e.printStackTrace();
         }
         return null;
      }
   };

   public static Connection getConnection() {
      // 调用conn对象的get方法
      return conn.get();
   }
}

下面看看ThreadLocal类的源码

先看看 get 方法

public ThreadLocal() {

}
public T get() {
        Thread t = Thread.currentThread();

/*
* 查看当前线程t有没有相应的map，注意，该方法传入的参数为当前线程，
* 返回的是线程t的静态变量 threadLocals,该变量初始值为null，故对不同
* 线程来说，每个线程都有自己的threadLocals
*/
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
/*
* 　　　　ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
*      　　　　 return t.threadLocals;
* 　　　　}
*/
        if (map != null) {
            // 获取当前线程下对象的value，注意，每个线程都存有当前对象的value
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                T result = (T)e.value;
                return result;
            }
        }
// 如果线程是第一次调用ThreadLocal的get方法，那么返回值从重写的初始化方法得到
        return setInitialValue();
}

去看看 setInitialValue() 方法

private T setInitialValue() {
        // 初始化value
        T value = initialValue();
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 取当前线程的map
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            // 不为空，更新当前线程下该对象的value
            map.set(this, value);
        else
         // map为空，创建map
            createMap(t, value);
        return value;
}

看看 ThreadLocal 怎么创建 ThreadLocalMap 的

// 这个方法是使得ThreadLocal类保存线程本地变量的关键，它新建的ThreadLocalMap是以当前ThreadLocal对象为key，然后是存在该线程的静态变量threadLocals里。

void createMap(Thread t, T firstValue) {
        t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}

ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
            table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
            int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
            // 对于table里的引用，每次都是new出来了，故不会和其他线程指向同一个当前对象
            table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
            size = 1;
            setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
 }

看到这里，相信大家就已经大概明白ThreadLocal类线程封闭的具体原理了。

以上内容如有不当之处，请指出。谢谢！

参考链接：

https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920407.html

https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html