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競態(tài)

對于同樣的輸入，程序的輸出有時候正確而有時候卻是錯誤的。這種一個計算結(jié)果的正確性與時間有關(guān)的現(xiàn)象就被稱為競態(tài)（RaceCondition）

導(dǎo)致競態(tài)的常見原因是多個線程在沒有采取任何措施的情況下并發(fā)更新、讀取同一個共享變量。

競態(tài)往往伴隨著數(shù)據(jù)的臟讀問題，即線程讀取到一個過時的數(shù)據(jù)；丟失更新問題，即一個線程丟失數(shù)據(jù)所做的更新沒有體現(xiàn)在后續(xù)其他線程對該數(shù)據(jù)的讀取上。

競態(tài)實例：

模擬RequestID生成器，RequestID是一個固定長度的編碼字符串，其中最后三位是在0~999循環(huán)遞增的序列號。

public final class RequestIDGenerator implements CircularSeqGenerator {/*** 保存該類的唯一實例*/private final static RequestIDGenerator INSTANCE = new RequestIDGenerator();private final static short SEQ_UPPER_LIMIT = 999;private short sequence = -1;// 私有構(gòu)造器private RequestIDGenerator() {// 什么也不做}/*** 生成循環(huán)遞增序列號** @return*/@Overridepublic short nextSequence() {if (sequence >= SEQ_UPPER_LIMIT) {sequence = 0;} else {sequence++;}return sequence;}/*** 生成一個新的Request ID** @return*/public String nextID() {SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyMMddHHmmss");String timestamp = sdf.format(new Date());DecimalFormat df = new DecimalFormat("000");// 生成請求序列號short sequenceNo = nextSequence();return "0049" + timestamp + df.format(sequenceNo);}/*** 返回該類的唯一實例** @return*/public static RequestIDGenerator getInstance() {return INSTANCE;}
}

競態(tài)demo：

public class RaceConditionDemo {public static void main(String[] args) throws Exception {// 客戶端線程數(shù)
//    args = new String[] {"4"};//Runtime.getRuntime().availableProcessors()-- 返回可用處理器的Java虛擬機(jī)的數(shù)量int numberOfThreads = args.length > 0 ? Short.valueOf(args[0]) : Runtime.getRuntime().availableProcessors();Thread[] workerThreads = new Thread[numberOfThreads];for (int i = 0; i < numberOfThreads; i++) {workerThreads[i] = new WorkerThread(i, 10);}// 待所有線程創(chuàng)建完畢后，再一次性將其啟動，以便這些線程能夠盡可能地在同一時間內(nèi)運(yùn)行for (Thread ct : workerThreads) {ct.start();}}// 模擬業(yè)務(wù)線程static class WorkerThread extends Thread {private final int requestCount;public WorkerThread(int id, int requestCount) {super("worker-" + id);this.requestCount = requestCount;}@Overridepublic void run() {int i = requestCount;String requestID;RequestIDGenerator requestIDGen = RequestIDGenerator.getInstance();while (i-- > 0) {// 生成Request IDrequestID = requestIDGen.nextID();processRequest(requestID);}}// 模擬請求處理private void processRequest(String requestID) {// 模擬請求處理耗時Tools.randomPause(50);System.out.printf("%s got requestID: %s %n",Thread.currentThread().getName(), requestID);}}
}

當(dāng)args = new String[] {"4"}; 時，理論上序列號最后三位是：000-039，但是多次運(yùn)行結(jié)果有時正確有時返回000-038，有時000-037。

截取部分運(yùn)行結(jié)果，其中work-0和work-2線程返回的值是一樣的。該程序在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了競態(tài)。

worker-0 got requestID: 0049190620170236002 
worker-3 got requestID: 0049190620170236000 
worker-0 got requestID: 0049190620170236004 
worker-1 got requestID: 0049190620170236003 
worker-2 got requestID: 0049190620170236002 

nextSequence()中的 sequence++ 實際上相當(dāng)于如下偽代碼：

load(sequence,r1); //指令①:從內(nèi)存將sequence的值讀取到寄存器r1（讀取共享變量）
increment(r1);     //指令②：將寄存器的r1值增加1（共享變量做計算）
store(sequence,r1); //指令③：將寄存器r1的內(nèi)容寫入sequence對應(yīng)的內(nèi)存空間（更新變量）

發(fā)生原因：

一個線程在執(zhí)行完指令①之后到開始執(zhí)行指令②的這段時間內(nèi)其他線程可能已經(jīng)更新了共享變量的值，這就使得該線程在執(zhí)行指令②的時候使用的是共享變量的舊值，即臟讀數(shù)據(jù)。接著，該線程把根據(jù)這個舊值算出來的結(jié)果更新到共享變量，而這又使得其他線程對該變量所做的更新被覆蓋，造成更新丟失。

競態(tài)： 一個線程讀取共享變量并以該共享變量為基礎(chǔ)進(jìn)行計算的期間另外的一個線程更新了該共享變量的值而導(dǎo)致的干擾（讀取臟數(shù)據(jù)）或沖突（丟失更新）的結(jié)果。

競態(tài)防止

共享變量修改為局部變量

public class NoRaceCondition {public int nextSequence(int sequence) {// 以下語句使用的是局部變量而非狀態(tài)變量，并不會產(chǎn)生競態(tài)if (sequence >= 999) {sequence = 0;} else {sequence++;}return sequence;}}

由于不同線程各自訪問各自的那一部分局部變量，所以局部變量不會導(dǎo)致競態(tài)。、

添加synchronized關(guān)鍵字

public class SafeCircularSeqGenerator implements CircularSeqGenerator {private short sequence = -1;@Overridepublic synchronized short nextSequence() {if (sequence >= 999) {sequence = 0;} else {sequence++;}return sequence;}
}

限制只能被一個線程執(zhí)行

線程安全和非線程安全

線程安全 如果一個類在單線程環(huán)境下運(yùn)行正常，并且在多線程環(huán)境下，不做任何改變的情況下也能正常運(yùn)行，那我們就稱其是線程安全的，相應(yīng)的我們稱這個類具有線程安全性。

非線程安全 反之我們則為非線程安全。

線程安全概述：

原子性

原子的意思是不可再分。對于設(shè)計共享變量訪問的操作，若該操作從其執(zhí)行線程以外的任意線程來看是不可分割的，那么該操作就是原子操作，相應(yīng)的我們稱該操作具有原子性。
原子操作是多線程環(huán)境下的一個概念，他是針對訪問共享變量的操作而言的。原子操作的不可分割包括以下兩層含義:

• 訪問（讀寫）某個共享變量的操作從其執(zhí)行線程以外的任何線程來看，
  該操作要么已經(jīng)執(zhí)行結(jié)束要么尚未發(fā)生，即其他線程不會‘看到’該操作執(zhí)行了部分的中間效果。
• 訪問一組共享變量的原子操作是不能夠被交錯的。

java如何實現(xiàn)原子性：

• 使用鎖（lock）。鎖具有排他性，它能保證一個共享變量在任意一個時刻只能夠被一個線程訪問。
• 另一種是利用處理器提供的專門CAS指令。CAS指令實現(xiàn)原子性的方式和鎖實現(xiàn)原子性的方式實質(zhì)上是相同的，差別在于鎖是在軟件層次實現(xiàn)，而CAS是直接在硬件（處理器和內(nèi)存）層次實現(xiàn)，可以看做“硬件鎖”。

可見性

可見性：在多線程環(huán)境下，一個線程對共享變量做了更新，而其它線程在后續(xù)的訪問過程中無法立刻讀取到更新后的內(nèi)容，甚至永遠(yuǎn)無法讀取到更新后的內(nèi)容。
后續(xù)訪問該變量的線程可以讀取到更新后的結(jié)果，我們稱這線程對共享變量的更新對其他線程可見。反之，則稱為不可見。
不可見產(chǎn)生的原因：

• 代碼沒有給編譯器足夠的提示，使其認(rèn)為該狀態(tài)變量只有一個線程訪問，從而使編譯器為了避免重復(fù)讀取該變量而對代碼做了優(yōu)化。
• 可見性問題與與計算機(jī)的儲存系統(tǒng)也有關(guān)。

如何保證可見性？
對實例變量添加關(guān)鍵字：volatile

• 一個作用是提示JIT編譯器被修飾的變量可能被多個線程共享，以阻止編譯器做出可能導(dǎo)致程序不正常的優(yōu)化。
• 另一個作用是讀取一個volatile關(guān)鍵字修飾的變量會使相應(yīng)的處理器執(zhí)行刷新處理器緩存的動作，寫一個volatile修飾的變量會使相應(yīng)的處理器執(zhí)行沖刷處理器緩存的動作，從而保障了可見性。