详解Java多线程开发中的数据同步

Java中的变量分为两类：局部变量和类变量。局部变量是指在方法内定义的变量，如在run方法中定义的变量。对于这些变量来说，并不存在线程之间共享的问题。因此，它们不需要进行数据同步。类变量是在类中定义的变量，作用域是整个类。这类变量可以被多个线程共享。因此，我们需要对这类变量进行数据同步。

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数据同步就是指在同一时间，只能由一个线程来访问被同步的类变量，当前线程访问完这些变量后，其他线程才能继续访问。这里说的访问是指有写操作的访问，如果所有访问类变量的线程都是读操作，一般是不需要数据同步的。

那么如果不对共享的类变量进行数据同步，会发生什么情况呢？让我们先看看下面的代码会发生什么样的事情：

package test;
public class MyThread extends Thread
{
    public static int n = 0;
    public void run()
    {
        int m = n;
        yield();
        m++;
        n = m;
    }
    public static void main(String[] args) throws Exception
    {
        MyThread myThread = new MyThread ();
        Thread threads[] = new Thread[100];
        for (int i = 0; i < threads.length; i++)
            threads[i] = new Thread(myThread);
        for (int i = 0; i < threads.length; i++)
            threads[i].start();
        for (int i = 0; i < threads.length; i++)
            threads[i].join();
        System.out.println("n = " + MyThread.n);
    }
}

在执行上面代码的可能结果如下：

n = 59

看到这个结果，可能很多读者会感到奇怪。这个程序明明是启动了100个线程，然后每个线程将静态变量n加1.最后使用join方法使这100个线程都运行完后，再输出这个n值。按正常来讲，结果应该是n = 100。可偏偏结果小于100。

其实产生这种结果的罪魁祸首就是我们经常提到的“脏数据”。而run方法中的yield（）语句就是产生“脏数据”的始作俑者（不加yield语句也可能会产生“脏数据”，但不会这么明显，只有将100改成更大的数，才会经常产生“脏数据”，在本例中调用yield就是为了放大“脏数据”的效果）。yield方法的作用是使线程暂停，也就是使调用yield方法的线程暂时放弃CPU资源，使CPU有机会来执行其他的线程。为了说明这个程序如何产生“脏数据”，我们假设只创建了两个线程：thread1和thread2.由于先调用了thread1的start方法，因此，thread1的run方法一般会先运行。当thread1的run方法运行到第一行（int m = n；）时，将n的值赋给m.当执行到第二行的yield方法后，thread1就会暂时停止执行，而当thread1暂停时，thread2获得了CPU资源后开始运行（之前thread2一直处于就绪状态），当thread2执行到第一行（int m = n；）时，由于thread1在执行到yield时n仍然是0，因此，thread2中的m获得的值也是0.这样就造成了thread1和thread2的m获得的都是0.在它们执行完yield方法后，都是从0开始加1，因此，无论谁先执行完，最后n的值都是1，只是这个n被thread1和thread2各赋了一遍值。这个过程如下图如示：

也许有人会问，如果只有n++，会产生“脏数据”吗？答案是肯定的。那么n++只是一条语句，又如何在执行过程中将CPU交给其他的线程呢？其实这只是表面现象，n++在被Java编译器编译成中间语言（也叫做字节码）后，并不是一条语言。让我们看看下面的Java代码将会被编译成什么样的Java中间语言。

Java源代码

public void run()
{
    n++;
}
 
被编译后的中间语言代码
  001  public void run()
  002  {
  003      aload_0         
  004      dup             
  005      getfield
  006      iconst_1        
  007      iadd            
  008      putfield       
  009      return          
  010  }

大家可以看到在run方法中只有n++一条语句，而在编译后，却有7条中间语言语句。我们并不需要知道这些语句的功能是什么，只看一下第005、007和008行语句。在005行是getfield，根据它的英文含义可知是要得到某个值，因为这里只有一个n，所以毫无疑问，是要得到n的值。而在007行的iadd也不难猜测是将这个得到的n值加1.在008行的putfield的含义我想大家可能已经猜出来了，它负责将这个加1后的n再更新回类变量n.说到这，可能大家还有一个疑惑，执行n++时直接将n加1不就行了，为什么要如此费周折。其实这里涉及到一个Java内存模型的问题。

Java的内存模型分为主存储区和工作存储区。主存储区保存了Java中所有的实例。也就是说，在我们使用new来建立一个对象后，这个对象及它内部的方法、变量等都保存在这一区域，在MyThread类中的n就保存在这个区域。主存储区可以被所有线程共享。而工作存储区就是我们前面所讲的线程栈，在这个区域里保存了在run方法以及run方法所调用的方法中定义的变量，也就是方法变量。在线程要修改主存储区中的变量时，并不是直接修改这些变量，而是将它们先复制到当前线程的工作存储区，在修改完后，再将这个变量值覆盖主存储区的相应的变量值。

在了解了Java的内存模型后，就不难理解为什么n++也不是原子操作了。它必须经过一个拷贝、加1和覆盖的过程。这个过程和在MyThread类中模拟的过程类似。大家可以想象，如果在执行到getfield时，thread1由于某种原因被中断，那么就会发生和MyThread类的执行结果类似的情况。要想彻底解决这个问题，就必须使用某种方法对n进行同步，也就是在同一时间只能有一个线程操作n，这也称为对n的原子操作。

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