并发业务中,线程安全与否很重要,来看看你懂多少?

发布于: 2020 年 07 月 15 日
并发业务中,线程安全与否很重要,来看看你懂多少?

作者:爬蜥

链接: https://juejin.im/post/5b7d68f66fb9a019d80a9002

当多个线程去访问某个类时,如果类会表现出我们预期出现的行为,那么可以称这个类是线程安全的。

什么时候会出现线程不安全?

操作并非原子。多个线程执行某段代码,如果这段代码产生的结果受不同线程之间的执行时序影响,而产生非预期的结果,即发生了竞态条件,就会出现线程不安全;

常见场景:

1.count++。它本身包含三个操作,读取、修改、写入,多线程时,由于线程执行的时序不同,有可能导致两个线程执行后 count 只加了 1,而原有的目标确实希望每次执行都加 1;

2.单例。多个线程可能同时执行到instance == null成立,然后新建了两个对象,而原有目标是希望这个对象永远只有一个;

public MyObj getInstance(){
if (instance == null){
instance = new MyObj();
}
return instance
}

解决方式是:当前线程在操作这段代码时,其它线程不能对进行操作

常见方案:

1.单个状态使用 java.util.concurrent.atomic 包中的一些原子变量类,注意如果是多个状态就算每个操作是原子的,复合使用的时候并不是原子的;

2.加锁。比如使用 synchronized 包围对应代码块,保证多线程之间是互斥的,注意应尽可能的只包含在需要作为原子处理的代码块上;

synchronized 的可重入性

当线程要去获取它自己已经持有的锁是会成功的,这样的锁是可重入的,synchronized 是可重入的

class Paxi {
public synchronized void sayHello(){
System.out.println("hello");
}
}
class MyClass extends Paxi{
public synchronized void dosomething(){
System.out.println("do thing ..");
super.sayHello();
System.out.println("over");
}
}

它的输出为

do thing ..
hello
over

修改不可见。读线程无法感知到其它线程写入的值

常见场景:

1.重排序。在没有同步的情况下,编译器、处理器以及运行时等都有可能对操作的执行顺序进行调整,即写的代码顺序和真正的执行顺序不一样, 导致读到的是一个失效的值

2.读取 long、double 等类型的变量。JVM 允许将一个 64 位的操作分解成两个 32 位的操作,读写在不同的线程中时,可能读到错误的高低位组合

常见方案:

>1.加锁。所有线程都能看到共享变量的最新值;

2.使用 Volatile 关键字声明变量。只要对这个变量产生了写操作,那么所有的读操作都会看到这个修改;

>注意:Volatile 并不能保证操作的原子性,比如count++操作同样有风险,它仅保证读取时返回最新的值。使用的好处在于访问 Volatile 变量并不会执行加锁操作,也就不会阻塞线程。

不同步的情况下如何做到线程安全?

1.线程封闭。即仅在单线程内访问数据,线程封闭技术有以下几种:

Ad-hoc 线程封闭。即靠自己写程序来实现,比如保证程序只在单线程上对 volatile 进行 读取-修改-写入

栈封闭。所有的操作都反生执行线程的栈中,比如在方法中的一个局部变量

ThreadLocal 类。内部维护了每个线程和变量的一个独立副本

2.只读共享。即使用不可变的对象。

使用 final 去修饰字段,这样这个字段的 “值” 是不可改变的

>注意 final 如果修饰的是一个对象引用,比如 set, 它本身包含的值是可变的

创建一个不可变的类,来包含多个可变的数据。

class OneValue{
//创建不可变对象,创建之后无法修改,事实上这里也没有提供修改的方法
private final BigInteger last;
private final BigInteger[] lastfactor;
public OneValue(BigInteger i,BigInteger[] lastfactor){
this.last=i;
this.lastfactor=Arrays.copy(lastfactor,lastfactor.length);
}
public BigInteger[] getF(BigInteger i){
if(last==null || !last.equals(i)){
return null;
}else{
return Arrays.copy(lastfactor,lastfactor.length)
}
}
}
class MyService {
//volatile使得cache一经更改,就能被所有线程感知到
private volatile OneValue cache=new OneValue(null,null);
public void handle(BigInteger i){
BigInteger[] lastfactor=cache.getF(i);
if(lastfactor==null){
lastfactor=factor(i);
//每次都封装最新的值
cache=new OneValue(i,lastfactor)
}
nextHandle(lastfactor)
}
}

如何构造线程安全的类?

实例封闭。将一个对象封装到另一个对象中,这样能够访问被封装对象的所有代码路径都是已知的,通过合适的加锁策略可以确保被封装对象的访问是线程安全的。

java 中的 Collections.synchronizedList 使用的原理就是这样。部分代码为

public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list) {
return (list instanceof RandomAccess ?
new SynchronizedRandomAccessList<>(list) :
new SynchronizedList<>(list));
}

SynchronizedList 的实现, 注意此处用到的 mutex 是内置锁

static class SynchronizedList<E>
extends SynchronizedCollection<E>
implements List<E> {
private static final long serialVersionUID = -7754090372962971524L;
final List<E> list;
public E get(int index) {
synchronized (mutex) {return list.get(index);}
}
public E set(int index, E element) {
synchronized (mutex) {return list.set(index, element);}
}
public void add(int index, E element) {
synchronized (mutex) {list.add(index, element);}
}
public E remove(int index) {
synchronized (mutex) {return list.remove(index);}
}
}

mutex 的实现

static class SynchronizedCollection<E> implements Collection<E>, >Serializable {
private static final long serialVersionUID = 3053995032091335093L;
final Collection<E> c; // Backing Collection
final Object mutex; // Object on which to synchronize
SynchronizedCollection(Collection<E> c) {
if (c==null)
throw new NullPointerException();
this.c = c;
mutex = this; // mutex实际上就是对象本身
}

什么是监视器模式

java 的监视器模式,将对象所有可变状态都封装起来,并由对象自己的内置锁来保护, 即是一种实例封闭。比如 HashTable 就是运用的监视器模式。它的 get 操作就是用的 synchronized,内置锁,来实现的线程安全

public synchronized V get(Object key) {
Entry tab[] = table;
int hash = hash(key);
int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
for (Entry<K,V> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
return e.value;
}
}
return null;
}
内置锁

每个对象都有内置锁。内置锁也称为监视器锁。或者可以简称为监视器

线程执行一个对象的用 synchronized 修饰的方法时,会自动的获取这个对象的内置锁,方法返回时自动释放内置锁,执行过程中就算抛出异常也会自动释放。

以下两种写法等效:

synchronized void myMethdo(){
//do something
}
void myMethdo(){
synchronized(this){
//do somthding
}
}

官方文档

私有锁
public class PrivateLock{
private Object mylock = new Object(); //私有锁
void myMethod(){
synchronized(mylock){
//do something
}
}
}

它也可以用来保护对象,相对内置锁,优势在于私有锁可以有多个,同时可以让客户端代码显示的获取私有锁

类锁

在 staic 方法上修饰的,一个类的所有对象共用一把锁

把线程安全性委托给线程安全的类

如果一个类中的各个组件都是线程安全的,该类是否要处理线程安全问题?

视情况而定。

1.只有单个组件,且它是线程安全的。

public class DVT{
private final ConcurrentMap<String,Point> locations;
private final Map<String,Point> unmodifiableMap;
public DVT(Map<String,Point> points){
locations=new ConcurrentHashMap<String,Point>(points);
unmodifiableMap=Collections.unmodifiableMap(locations);
}
public Map<String,Point> getLocations(){
return unmodifiableMap;
}
public Point getLocation(String id){
return locations.get(id);
}
public void setLocation(String id,int x,int y){
if(locations.replace(id,new Point(x,y))==null){
throw new IllegalArgumentException("invalid "+id);
}
}
}
public class Point{
public final int x,y;
public Point(int x,int y){
this.x=x;
this.y=y;
}
}

线程安全性分析

  • Point 类本身是无法更改的,所以它是线程安全的,DVT 返回的 Point 方法也是线程安全的

  • DVT 的方法 getLocations 返回的对象是不可修改的,是线程安全的

  • setLocation 实际操作的是 ConcurrentHashMap 它也是线程安全的

综上,DVT 的安全交给了‘locations’,它本身是线程安全的,DVT 本身虽没有任何显示的同步,也是线程安全。这种情况下,就是 DVT 的线程安全实际是委托给了‘locations’, 整个 DVT 表现出了线程安全。

2.线程安全性委托给了多个状态变量

只要多个状态变量之间彼此独立,组合的类并不会在其包含的多个状态变量上增加不变性。依赖的增加则无法保证线程安全

public class NumberRange{
private final AtomicInteger lower = new AtomicInteger(0);
private final AtomicInteger upper = new AtomicInteger(0);
public void setLower(int i){
//先检查后执行,存在隐患
if (i>upper.get(i)){
throw new IllegalArgumentException('can not ..');
}
lower.set(i);
}
public void setUpper(int i){
//先检查后执行,存在隐患
if(i<lower.get(i)){
throw new IllegalArgumentException('can not ..');
}
upper.set(i);
}
}

setLower 和 setUpper 都是‘先检查后执行’的操作,但是没有足够的加锁机制保证操作的原子性。假设原始范围是 (0,10), 一个线程调用 setLower(5), 一个设置 setUpper(4) 错误的执行时序将可能导致结果为(5,4)

如何对现有的线程安全类进行扩展?

>假设需要扩展的功能为 ‘没有就添加’。

1.直接修改原有的代码。但通常没有办法修改源代码

2.继承。继承原有的代码,添加新的功能。但是同步策略保存在两份文件中,如果底层同步策略变更,很容易出问题

3.组合。将类放入一个辅助类中,通过辅助类的操作代码。比如扩展 Collections.synchronizedList。期间需要注意锁的机制,错误方式为

public class ListHelper<E>{
public List<E> list=Collections.synchronizedList(new ArrayList<E>());
...
public synchronized boolean putIfAbsent(E x){
boolean absent = !list.contains(x);
if(absent){
list.add(x);
}
return absent;
}
}
```
这里的 putIfAbsent 并不能带来线程安全,原因是 list 的内置锁并不是 ListHelper, 也就是 putIfAbsent 相对 list 的其它方法并不是原子的。Collections.synchronizedList 是锁在 list 本身的,正确方式为
```java
public boolean putIfAbsent(E x){
synchronized(list){
boolean absent = !list.contains(x);
if(absent){
list.add(x);
}
return absent;
}
}

另外可以不管要操作的类是否是线程安全,对类统一添加一层额外的锁。实现参考 Collections.synchronizedList 方法

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