Java并发编程系列-(7) Java线程安全

7. 线程安全

7.1 线程安全的定义

如果多线程下使用这个类,不过多线程如何使用和调度这个类,这个类总是表示出正确的行为,这个类就是线程安全的。

类的线程安全表现为:

  • 操作的原子性
  • 内存的可见性

不做正确的同步,在多个线程之间共享状态的时候,就会出现线程不安全。

7.2 如何保证线程安全

栈封闭

所有的变量都是在方法内部声明的,这些变量都处于栈封闭状态。

比如下面的例子,a和b都是在方法内部定义的,无法被外部线程所访问,当方法结束后,栈内存被回收,所以是线程安全的。

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void fun(){
int a = 1;
int b= 2;
// do something
}

无状态

没有任何成员变量的类,就叫无状态的类,这种类不存在共享的资源,显然是安全的。

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public class StatelessClass {
public int service(int a,int b) {
return a*b;
}
}

不可变的类

让状态不可变,两种方式:

  1. 加final关键字。对于一个类,所有的成员变量应该是私有的,并且可能的情况下,所有的成员变量应该加上final关键字。需要注意如果成员变量又是一个对象时,这个对象所对应的类也要是不可变,才能保证整个类是不可变的。
  2. 根本就不提供任何可供修改成员变量的地方,同时成员变量也不作为方法的返回值。

下面例子中的,成员变量都是final并且也没有提供给外部修改变量的地方,因此是线程安全的。

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public class ImmutableFinal {
private final int a;
private final int b;
public ImmutableFinal(int a, int b) {
super();
this.a = a;
this.b = b;
}
public int getA() {
return a;
}
public int getB() {
return b;
}
}

下面的例子中,虽然User成员变量是final的,无法修改引用。但是外部依然可以通过getUser获取到User的引用之后,修改User对象。

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public class ImmutableFinalRef {
private final int a;
private final int b;
private final User user;//这里就不能保证线程安全了
public ImmutableFinalRef(int a, int b) {
super();
this.a = a;
this.b = b;
this.user = new User();
}
public int getA() {
return a;
}
public int getB() {
return b;
}
public User getUser() {
return user;
}
public static class User{
private int age;
public User(int age) {
super();
this.age = age;
}
public int getAge() {
return age;
}
public void setAge(int age) {
this.age = age;
}
}
public static void main(String[] args) {
ImmutableFinalRef ref = new ImmutableFinalRef(12,23);
User u = ref.getUser();
//u.setAge(35);
}
}

volatile

volitile在ConcurrentHashMap等并发容器中都有使用,用于保证变量的可见性。最适合一个线程写,多个线程读的情景。

加锁和CAS

加锁可以显示地控制线程对类的访问,使用正确可以保证线程安全。

CAS操作通过不断的循环对比,试图对目标对象进行修改,也能保证线程安全。广泛用于JDK并发容器的实现中。

安全的发布

类中持有的成员变量,特别是对象的引用,如果这个成员对象不是线程安全的,通过get等方法发布出去,会造成这个成员对象本身持有的数据在多线程下不正确的修改,从而造成整个类线程不安全的问题。

ThreadLocal

这个类能使线程中的某个值与保存值的对象关联起来。ThreadLocal提供了get与set等访问接口与方法,这些方法为使用该变量的每个线程都存有一份独立的副本,因此get总是返回由当前执行线程在调用set时设置的最新值。

当某个线程初次调用ThreadLocal.get方法时,就会调用initialValue来获取初始值。从概念上讲,你可以将ThreadLocal视为包含了Map对象,其中保存了特定于该线程的值,但ThreadLocal的实现并非如此,这些特定的值保存在Thread对象中,当线程终止后,这些值会作为垃圾回收。

7.3 死锁

定义

死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中,由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象,若无外力作用,它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁。

死锁的根本成因:获取锁的顺序不一致导致。

可以利用下面的示意图帮助理解:

Screen Shot 2019-12-12 at 9.47.49 PM.png

死锁范例

下面的程序中,两个线程分别获取到了first和second,然后相互等待,产生了死锁。

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public class DeadLockSample extends Thread {
private String first;
private String second;
public DeadLockSample(String name, String first, String second) {
super(name);
this.first = first;
this.second = second;
}
public void run() {
synchronized (first) {
System.out.println(this.getName() + " obtained: " + first);
try {
Thread.sleep(1000L);
synchronized(second) {
System.out.println(this.getName() + " obtained: " + second);
}
} catch (InterruptedException e) {
// Do nothing
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
String lockA = "lockA";
String lockB = "lockB";
DeadLockSample t1 = new DeadLockSample("Thread1", lockA, lockB);
DeadLockSample t2 = new DeadLockSample("Thread2", lockB, lockA);
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
}
}

定位和解决死锁

Debug时可以使用 jps 或者系统的 ps 命令、任务管理器等工具,确定进程 ID。其次,调用 jstack 获取线程栈,jstack your_pid. jstack 本身也会把类似的简单死锁抽取出来,直接打印出来。

如果是开发自己的管理工具,需要用更加程序化的方式扫描服务进程、定位死锁,可以考虑使用 Java 提供的标准管理 API,ThreadMXBean,其直接就提供 findDeadlockedThreads() 方法用于定位,上面的例子中用到了这个方法。

怎么预防死锁?

  1. 如果可能的话,尽量避免使用多个锁,并且只有需要时才持有锁。

  2. 如果必须使用多个锁,尽量设计好锁的获取顺序。如果对于两个线程的情况,可以参考如下的实现:

在实现转账的类时,为了防止由于相互转账导致的死锁,下面的实现中,通过对比账户的hash值来确定获取锁的顺序。当两者的hash值相等时,虽然这种情况非常少见,使用了单独的锁,来控制两个线程的访问顺序。

注意System.identityHashCode()是JDK自带的hash实现,在绝大部分情况下,保证了对象hash值的唯一性。

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public class SafeOperate implements ITransfer {
private static Object tieLock = new Object();//加时赛锁
@Override
public void transfer(UserAccount from, UserAccount to, int amount)
throws InterruptedException {
int fromHash = System.identityHashCode(from);
int toHash = System.identityHashCode(to);
//先锁hash小的那个
if(fromHash<toHash) {
synchronized (from){
synchronized (to){
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+" get"+to.getName());
from.flyMoney(amount);
to.addMoney(amount);
}
}
}else if(toHash<fromHash) {
synchronized (to){
Thread.sleep(100);
synchronized (from){
from.flyMoney(amount);
to.addMoney(amount);
}
}
}else {//解决hash冲突的方法
synchronized (tieLock) {
synchronized (from) {
synchronized (to) {
from.flyMoney(amount);
to.addMoney(amount);
}
}
}
}
}
}
  1. 使用带超时的方法,为程序带来更多可控性。

类似 Object.wait(…) 或者 CountDownLatch.await(…),都支持所谓的 timed_wait,我们完全可以就不假定该锁一定会获得,指定超时时间,并为无法得到锁时准备退出逻辑。

  1. 使用Lock实现(推荐)

并发 Lock 实现,如 ReentrantLock 还支持非阻塞式的获取锁操作 tryLock(),这是一个插队行为(barging),并不在乎等待的公平性,如果执行时对象恰好没有被独占,则直接获取锁。

标准的使用流程如下:

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while(true) {
if(A.getLock().tryLock()) {
try {
if(B.getLock().tryLock()) {
try {
//两把锁都拿到了,开始执行业务代码
break;
}finally {
B.getLock().unlock();
}
}
}finally {
A.getLock().unlock();
}
}
// 非常重要,sleep随机的时间,以防两个线程谦让,产生长时间的等待,也就是活锁
SleepTools.ms(r.nextInt(10));
}

7.4 活锁/线程饥饿/无锁

活锁

活锁恰恰与死锁相反,死锁是大家都拿不到资源都占用着对方的资源,而活锁是拿到资源却又相互释放不执行。当多线程中出现了相互谦让,都主动将资源释放给别的线程使用,这样这个资源在多个线程之间跳动而又得不到执行,这就是活锁。

在上面解决死锁的第四个方案中,为了避免活锁,采用了随机休眠的机制。

线程饥饿

线程执行中有线程优先级,优先级高的线程能够插队并优先执行,这样如果优先级高的线程一直抢占优先级低线程的资源,导致低优先级线程无法得到执行,这就是饥饿。当然还有一种饥饿的情况,一个线程一直占着一个资源不放而导致其他线程得不到执行,与死锁不同的是饥饿在以后一段时间内还是能够得到执行的,如那个占用资源的线程结束了并释放了资源。

无锁

对于并发控制而言,锁是一种悲观的策略,它总是假设每一次的临界区操作会产生冲突,由此,如果有多个线程同时需要访问临界区资源,则宁可牺牲资源让线程进行等待。

无锁是一种乐观的策略,它假设对资源的访问是没有冲突的。既然没有冲突,自然不需要等待,所以所有的线程都可以在不停顿地状态下持续执行。当遇到冲突,则使用CAS来检测线程冲突,如果发现冲突,则重试直到没有冲突为止。

CAS算法的过程是,它包含三个参数CAS(V,E,N),V表示要更新的变量,E表示预期值,N表示新值。仅当V值等于E值时,才将V的值设置为N,如果V值和E值不同,说明已经有其他线程做了更新,则当前线程什么都不做。使用CAS操作一个变量时,只有一个会胜出,并成功更新,其余均会失败。

7.5 影响性能的因素

  • 上下文切换:一般花费5000-10000个时钟周期,几微秒
  • 内存同步:加锁等操作,增加额外的指令执行时间
  • 阻塞:挂起线程,包括额外的上下文切换

7.6 锁性能优化

减少锁的持有时间

减少锁的持有时间有助于降低锁冲突的可能性,进而提升系统的并发能力。

减小锁粒度

这种技术的典型使用场景就是ConcurrentHashMap。

对于HashMap来说,最重要的两个方法就是get() 和put(),一种最自然的想法就是对整个HashMap加锁,必然可以得到一个线程安全的对象.但是这样做,我们就认为加锁粒度太大.对于ConcurrentHashMap,它内部进一步细分了若干个小的hashMap,称之为段(SEGMENT).默认的情况下,一个ConcurrentHashMap被进一步细分为16个段

如果需要在ConcurrentHashMap中增加一个新的表项,并不是整个HashMap加锁,而是首先根据hashcode得到该表项应该被存放到哪个段中,然后对该段加锁,并完成put()操作.在多线程环境中,如果多个线程同时进行put()操作,只要被加入的表项不存放在同一个段中,则线程间便可以做到真正的并行。

读写分离锁来替换独占锁

在读多写少的场合,使用读写锁可以有效提升系统的并发能力

锁分离

如果将读写锁的思想进一步的延伸,就是锁分离.读写锁根据读写锁操作功能上的不同,进行了有效的锁分离.使用类似的思想,也可以对独占锁进行分离.

以LinkedBlockingQueue为例,take函数和put函数分别实现了冲队列取和往队列加数据,虽然两个方法都对队列进项了修改,但是LinkedBlockingQueue是基于链表的所以一个操作的是头,一个是队列尾端,从理论情况下将并不冲突

如果使用独占锁则take和put就不能完成真正的并发,所以jdk并没有才用这种方式取而代之的是两把不同的锁分离了put和take的操作

锁粗化

凡事都有一个度,如果对同一个锁不停地进行请求,同步和释放,其本身也会消耗系统宝贵的资源,反而不利于性能的优化。

为此,虚拟机在遇到一连串连续地对同一锁不断进行请求和释放的操作时,便会把所有的锁操作整合成对锁的一次请求,从而减少对锁的请求同步次数,这个操作叫做锁的粗化.

7.7 实现线程安全的单例模式

懒汉式

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public static synchronized Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}

线程安全,并且解决了多实例的问题,但是它并不高效。因为在任何时候只能有一个线程调用 getInstance() 方法。

双重检验锁

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public class Singleton {
private static volatile Singleton singleton = null;
private Singleton() {
}
public static Singleton getSingleton() {
if (singleton == null) { // 尽量避免重复进入同步块
synchronized (Singleton.class) { // 同步.class,意味着对同步类方法调用
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
}
  • volatile 能够提供可见性,以及保证 getInstance 返回的是初始化完全的对象。
  • 在同步之前进行 null 检查,以尽量避免进入相对昂贵的同步块。
  • 直接在 class 级别进行同步,保证线程安全的类方法调用。

在这段代码中,争论较多的是 volatile 修饰静态变量,当 Singleton 类本身有多个成员变量时,需要保证初始化过程完成后,才能被 get 到。 在现代 Java 中,内存排序模型(JMM)已经非常完善,通过 volatile 的 write 或者 read,能保证所谓的 happen-before,也就是避免常被提到的指令重排。换句话说,构造对象的 store 指令能够被保证一定在 volatile read 之前。

饿汉式

这种方法非常简单,因为单例的实例被声明成 static 和 final 变量了,在第一次加载类到内存中时就会初始化,所以创建实例本身是线程安全的。

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public class Singleton{
//类加载时就初始化
private static final Singleton instance = new Singleton();
private Singleton(){}
public static Singleton getInstance(){
return instance;
}
}

静态内部类(推荐)

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public class Singleton {
private static class SingletonHolder {
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
private Singleton (){}
public static final Singleton getInstance() {
return SingletonHolder.INSTANCE;
}
}

静态内部类是在被调用时才会被加载,因此它是懒汉式的。


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