java中的同步与异步

一、概述

多线程并发时，多个线程同时请求同一个资源，必然导致此资源的数据不安全，A线程修改了B线程的处理的数据，而B线程又修改了A线程处理的数理。显然这是由于全局资源造成的，有时为了解决此问题，优先考虑使用局部变量，退而求其次使用同步代码块，出于这样的安全考虑就必须牺牲系统处理性能，加在多线程并发时资源挣夺最激烈的地方，这就实现了线程的同步机制
同步：A线程要请求某个资源，但是此资源正在被B线程使用中，因为同步机制存在，A线程请求不到，怎么办，A线程只能等待下去
异步：A线程要请求某个资源，但是此资源正在被B线程使用中，因为没有同步机制存在，A线程仍然请求的到，A线程无需等待

显然，同步最最安全，最保险的。而异步不安全，容易导致死锁，这样一个线程死掉就会导致整个进程崩溃，但没有同步机制的存在，性能会有所提升

二、同步、异步

同步：提交请求->等待服务器处理->处理完返回这个期间客户端浏览器不能干任何事
异步：请求通过事件触发->服务器处理（这是浏览器仍然可以作其他事情）->处理完毕
可见，彼“同步”非此“同步”——我们说的java中的那个共享数据同步（synchronized），一个同步的对象是指行为（动作），一个是同步的对象是指物质（共享数据）。

三、并发编程的3个基本概念

1.原子性
定义：即一个操作或者多个操作要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。

原子性是拒绝多线程操作的，不论是多核还是单核，具有原子性的量，同一时刻只能有一个线程来对它进行操作。简而言之，在整个操作过程中不会被线程调度器中断的操作，都可认为是原子性。例如 a=1是原子性操作，但是a++和a +=1就不是原子性操作。Java中的原子性操作包括：

a. 基本类型的读取和赋值操作，且赋值必须是数字赋值给变量，变量之间的相互赋值不是原子性操作。

b.所有引用reference的赋值操作

c.java.concurrent.Atomic.* 包中所有类的一切操作
2.可见性
定义：指当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得到修改的值。

在多线程环境下，一个线程对共享变量的操作对其他线程是不可见的。Java提供了volatile来保证可见性，当一个变量被volatile修饰后，表示着线程本地内存无效，当一个线程修改共享变量后他会立即被更新到主内存中，其他线程读取共享变量时，会直接从主内存中读取。当然，synchronize和Lock都可以保证可见性。synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。
3.有序性
定义：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

Java内存模型中的有序性可以总结为：如果在本线程内观察，所有操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程，所有操作都是无序的。前半句是指“线程内表现为串行语义”，后半句是指“指令重排序”现象和“工作内存主主内存同步延迟”现象。

在Java内存模型中，为了效率是允许编译器和处理器对指令进行重排序，当然重排序不会影响单线程的运行结果，但是对多线程会有影响。Java提供volatile来保证一定的有序性。最著名的例子就是单例模式里面的DCL（双重检查锁）。另外，可以通过synchronized和Lock来保证有序性，synchronized和Lock保证每个时刻是有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码，自然就保证了有序性。

四、锁的互斥和可见性

锁提供了两种主要特性：互斥（mutual exclusion）和可见性（visibility）。

（1）互斥即一次只允许一个线程持有某个特定的锁，一次就只有一个线程能够使用该共享数据。

（2）可见性要更加复杂一些，它必须确保释放锁之前对共享数据做出的更改对于随后获得该锁的另一个线程是可见的。也即当一条线程修改了共享变量的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的。如果没有同步机制提供的这种可见性保证，线程看到的共享变量可能是修改前的值或不一致的值，这将引发许多严重问题。要使 volatile 变量提供理想的线程安全，必须同时满足下面两个条件：

a.对变量的写操作不依赖于当前值。

b.该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。

实际上，这些条件表明，可以被写入 volatile 变量的这些有效值独立于任何程序的状态，包括变量的当前状态。事实上就是保证操作是原子性操作，才能保证使用volatile关键字的程序在并发时能够正确执行。

五、Java的内存模型JMM以及共享变量的可见性

JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：共享变量存储在主内存(Main Memory)中，每个线程都有一个私有的本地内存（Local Memory），本地内存保存了被该线程使用到的主内存的副本拷贝，线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。
java中的同步与异步
对于普通的共享变量来讲，线程A将其修改为某个值发生在线程A的本地内存中，此时还未同步到主内存中去；而线程B已经缓存了该变量的旧值，所以就导致了共享变量值的不一致。解决这种共享变量在多线程模型中的不可见性问题，较粗暴的方式自然就是加锁，但是此处使用synchronized或者Lock这些方式太重量级了，比较合理的方式其实就是volatile。

需要注意的是，JMM是个抽象的内存模型，所以所谓的本地内存，主内存都是抽象概念，并不一定就真实的对应cpu缓存和物理内存

六、Java同步机制有4种实现方式

ThreadLocal
synchronized( )
wait() 与 notify()
volatile

目的：都是为了解决多线程中的对同一变量的访问冲突
1.ThreadLocal
ThreadLocal 保证不同线程拥有不同实例，相同线程一定拥有相同的实例，即为每一个使用该变量的线程提供一个该变量值的副本，每一个线程都可以独立改变自己的副本，而不是与其它线程的副本冲突。
优势：提供了线程安全的共享对象
与其它同步机制的区别：同步机制是为了同步多个线程对相同资源的并发访问，是为了多个线程之间进行通信；而 ThreadLocal 是隔离多个线程的数据共享，从根本上就不在多个线程之间共享资源，这样当然不需要多个线程进行同步了。
2.volatile
volatile 修饰的成员变量在每次被线程访问时，都强迫从共享内存中重读该成员变量的值。而且，当成员变量发生变化时，强迫线程将变化值回写到共享内存。
优势：这样在任何时刻，两个不同的线程总是看到某个成员变量的同一个值。
缘由：Java 语言规范中指出，为了获得最佳速度，允许线程保存共享成员变量的私有拷贝，而且只当线程进入或者离开同步代码块时才与共享成员变量的原始值对比。这样当多个线程同时与某个对象交互时，就必须要注意到要让线程及时的得到共享成员变量的变化。而 volatile 关键字就是提示 VM ：对于这个成员变量不能保存它的私有拷贝，而应直接与共享成员变量交互。
使用技巧：在两个或者更多的线程访问的成员变量上使用 volatile 。当要访问的变量已在synchronized 代码块中，或者为常量时，不必使用。
线程为了提高效率，将某成员变量(如A)拷贝了一份（如B），线程中对A的访问其实访问的是B。只在某些动作时才进行A和B的同步，因此存在A和B不一致的情况。volatile就是用来避免这种情况的。 volatile告诉jvm，它所修饰的变量不保留拷贝，直接访问主内存中的（读操作多时使用较好；线程间需要通信，本条做不到）
Volatile 变量具有 synchronized 的可见性特性，但是不具备原子特性。这就是说线程能够自动发现 volatile 变量的最新值。Volatile 变量可用于提供线程安全，但是只能应用于非常有限的一组用例：多个变量之间或者某个变量的当前值与修改后值之间没有约束。
您只能在有限的一些情形下使用 volatile 变量替代锁。要使 volatile 变量提供理想的线程安全，必须同时满足下面两个条件：
对变量的写操作不依赖于当前值；该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。
3.sleep() vs wait()
sleep是线程类（Thread）的方法，导致此线程暂停执行指定时间，把执行机会给其他线程，但是监控状态依然保持，到时后会自动恢复。调用sleep不会释放对象锁。
wait是Object类的方法，对此对象调用wait方法导致本线程放弃对象锁，进入等待此对象的等待锁定池，只有针对此对象发出notify方法（或notifyAll）后本线程才进入对象锁定池准备获得对象锁进入运行状态。
（如果变量被声明为volatile，在每次访问时都会和主存一致；如果变量在同步方法或者同步块中被访问，当在方法或者块的入口处获得锁以及方法或者块退出时释放锁时变量被同步。）