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JAVA中的线程安全

并发线程安全

发布于：2019年8月1日

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JAVA中的线程安全

什么是线程安全

当多个线程访问某个类时，不管运行时环境采用何种调度方式或者这些线程将如何交替执行，并且在调用代码中不需要任何额外的同步或者协同，这个类都能表现出正确的行为，那么就称这个类是线程安全的。

​ 指多个线程在执行同一段代码的时候采用加锁机制，使每次的执行结果和单线程执行的结果都是一样的，不存在执行程序时出现意外结果。

线程不安全：是指不提供加锁机制保护，有可能出现多个线程先后更改数据造成所得到的数据是脏数据。

线程封闭

实现好的并发是一件困难的事情，所以很多时候我们都想躲避并发。避免并发最简单的方法就是线程封闭。什么是线程封闭呢？就是把对象封装到一个线程里，只有这一个线程能看到此对象。那么这个对象就算不是线程安全的也不会出现任何安全问题。实现线程封闭有哪些方法呢？

ad-hoc线程封闭：

​ 这是完全靠实现者控制的线程封闭，他的线程封闭完全靠实现者实现。Ad-hoc线程封闭非常脆弱，应该尽量避免使用。

栈封闭：

​ 栈封闭是我们编程当中遇到的最多的线程封闭。什么是栈封闭呢？简单的说就是局部变量。多个线程访问一个方法，此方法中的局部变量都会被拷贝一份到线程栈中。所以局部变量是不会被多个线程所共享的，也就不会出现并发问题。所以能用局部变量就别用全局的变量，全局变量容易引起并发问题。

无状态的类

没有任何成员变量的类，就叫无状态的类，这种类一定是线程安全的。如果这个类的方法参数中使用了对象，也是线程安全的吗？比如：

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public class StatelessClass {
	public int service(int a,int b){
	    return a+b;
    }
    public void serviceUser(UserVo user){
        //do sth user
    }
}

当然也是，因为多线程下的使用，固然user这个对象的实例会不正常，但是对于StatelessClass这个类的对象实例来说，它并不持有UserVo的对象实例，它自己并不会有问题，有问题的是UserVo这个类，而非StatelessClass本身。

让类不可变

让状态不可变，两种方式

加final关键字

加final关键字，对于一个类，所有的成员变量应该是私有的，同样的只要有可能，所有的成员变量应该加上final关键字，但是加上final，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。参见代码：

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/**
 * 类不可变
 */
public class ImmutableClass {
    private final int a;
    private final UserVo user = new UserVo();//不安全

	public int getA() {
		return a;
	}

	public UserVo getUser() {
		return user;
	}


	public ImmutableClass(int a) {
		this.a = a;
	}

	public static class User{
    	private int age;

		public int getAge() {
			return age;
		}

		public void setAge(int age) {
			this.age = age;
		}
    }
}

不提供返回值

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。

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/**
 * 类不可变--事实不可变
 */
public class ImmutableClassToo {
    private final List<Integer> list = new ArrayList<>(3);

    public ImmutableClassToo() {
        list.add(1);
        list.add(2);
        list.add(3);
    }

    public boolean isContain(int i){
        return list.contains(i);
    }
}

但是要注意，一旦类的成员变量中有对象，上述的final关键字保证不可变并不能保证类的安全性，为何？因为在多线程下，虽然对象的引用不可变，但是对象在堆上的实例是有可能被多个线程同时修改的，没有正确处理的情况下，对象实例在堆中的数据是不可预知的。这就牵涉到了如何安全的发布对象这个问题。

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public class ImmutableClass {
	private final int a;
	private final UserVo user = new UserVo(); //不安全
	 
	public int getA() {
		return a;
	}
	public UserVo getUser() {
		return user;
	}
	public ImmutableClass(int a) {
		this.a = a;
	}
	
	public static class User{
    	private int age;
		public int getAge() {
			return age;
		}
		public void setAge(int age) {
			this.age = age;
		}
    }  
}
volatile

​ 并不能保证类的线程安全性，只能保证类的可见性，最适合一个线程写，多个线程读的情景。

加锁和CAS

​ 我们最常使用的保证线程安全的手段，使用synchronized关键字，使用显式锁，使用各种原子变量，修改数据时使用CAS机制等等。

安全的发布

类中持有的成员变量，如果是基本类型，发布出去，并没有关系，因为发布出去的其实是这个变量的一个副本，参见代码：

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/**
 * 演示基本类型的发布
 */
public class SafePublish {
	private int i;

    public SafePublish() {
    	i = 2;
    }
	
	public int getI() {
		return i;
	}

	public static void main(String[] args) {
		SafePublish safePublish = new SafePublish();
		int j = safePublish.getI();
		System.out.println("before j="+j);
		j = 3;
		System.out.println("after j="+j);
		System.out.println("getI = "+safePublish.getI());
	}
}

但是如果类中持有的成员变量是对象的引用，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。参见以下代码可以看见：

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/**
 * 不安全的发布
 */
public class UnSafePublish {
	private List<Integer> list = new ArrayList<>(3);
	
    public UnSafePublish() {
    	list.add(1);
    	list.add(2);
    	list.add(3);
    }
	
	public List getList() {
		return list;
	}

	public static void main(String[] args) {
		UnSafePublish unSafePublish = new UnSafePublish();
		List<Integer> list = unSafePublish.getList();
		System.out.println(list);
		list.add(4);
		System.out.println(list);
		System.out.println(unSafePublish.getList());
	}
}

这个list发布出去后，是可以被外部线程之间修改，那么在多个线程同时修改的情况下不安全问题是肯定存在的，怎么修正这个问题呢？我们在发布这对象的时候，就应该用线程安全的方式包装这个对象。我们将list用Collections.synchronizedList进行包装以后，无论多少线程使用这个list，就都是线程安全的了。

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/**
 * 安全的发布
 */
public class SafePublishToo {
    private List<Integer> list
            = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>(3));

    public SafePublishToo() {
        list.add(1);
        list.add(2);
        list.add(3);
    }

    public List getList() {
        return list;
    }

    public static void main(String[] args) {
        SafePublishToo safePublishToo = new SafePublishToo();
        List<Integer> list = safePublishToo.getList();
        System.out.println(list);
        list.add(4);
        System.out.println(list);
        System.out.println(safePublishToo.getList());
    }
}

对于我们自己使用或者声明的类，JDK自然没有提供这种包装类的办法，但是我们可以仿造这种模式或者委托给线程安全的类，当然，对这种通过get等方法发布出去的对象，最根本的解决办法还是应该在实现上就考虑到线程安全问题。

TheadLocal方式

​ ThreadLocal是实现线程封闭的最好方法。ThreadLocal内部维护了一个Map，Map的key是每个线程的名称，而Map的值就是我们要封闭的对象。每个线程中的对象都对应着Map中一个值，也就是ThreadLocal利用Map实现了对象的线程封闭。

Servlet辨析

不是线程安全的类，为什么我们平时没感觉到：

1、在需求上，很少有共享的需求。
2、接收到了请求，返回应答的时候，一般都是由一个线程来负责的。但是只要Servlet中有成员变量，一旦有多线程下的写，就很容易产生线程安全问题。

其他安全问题

活锁

两个线程在尝试拿锁的机制中，发生多个线程之间互相谦让，不断发生同一个线程总是拿到同一把锁，在尝试拿另一把锁时因为拿不到，而将本来已经持有的锁释放的过程。解决办法：每个线程休眠随机数，错开拿锁的时间。

线程饥饿

​ 低优先级的线程，总是拿不到执行时间。

并发下的性能

​ 使用并发的目标是为了提高性能，引入多线程后，其实会引入额外的开销，如线程之间的协调、增加的上下文切换，线程的创建和销毁，线程的调度等等。过度的使用和不恰当的使用，会导致多线程程序甚至比单线程还要低。

衡量应用的程序的性能

​ 服务时间，延迟时间，吞吐量，可伸缩性等等，其中服务时间，延迟时间（多快），吞吐量（处理能力的指标，完成工作的多少）。多快和多少，完全独立，甚至是相互矛盾的。

对服务器应用来说

​ 多少（可伸缩性，吞吐量）这个方面比多快更受重视。

我们做应用的时候
  • 先保证程序正确，确实达不到要求的时候，再提高速度。（黄金原则）
  • 一定要以测试为基准。

线程引入的开销

线程引入的开销

​ 如果主线程是唯一的线程，那么它基本上不会被调度出去。另一方面，如果可运行的线程数大于CPU的数量，那么操作系统最终会将某个正在运行的线程调度出来，从而使其他线程能够使用CPU。这将导致一次上下文切换，在这个过程中将保存当前运行线程的执行上下文，并将新调度进来的线程的执行上下文设置为当前上下文。上下文切换有点像我们同时阅读几本书，在来回切换书本的同时我们需要记住每本书当前读到的页码。

​ 切换上下文需要一定的开销，而在线程调度过程中需要访问由操作系统和JVM共享的数据结构。应用程序、操作系统以及JVM都使用一组相同的CPU。在JVM和操作系统的代码中消耗的CPU时钟周期越多，应用程序的可用CPU时钟周期就越少，但上下文切换的开销并不只是包含JVM和操作系统的开销。当一个新的线程被切换进来时，它所需要的数据可能不在当前处理器的本地缓存中，因此上下文切换将导致一些缓存缺失，因而线程在首次调度运行时会更加缓慢。

​ 当线程由于等待某个发生竞争的锁而被阻塞时，JVM通常会将这个线程挂起，并允许它被交换出去。如果线程频繁地发生阻塞，那么它们将无法使用完整的调度时间片。在程序中发生越多的阻塞(包括阻塞IO,等待获取发生竞争的锁，或者在条件变量上等待)与CPU密集型的程序就会发生越多的上下文切换，从而增加调度开销，并因此而降低吞吐量。

​ 上下文切换是计算密集型操作。也就是说，它需要相当可观的处理器时间。所以上下文切换对系统来说意味着消耗大量的CPU时间，事实上可能是操作系统中时间消耗最大的操作。上下文切换的实际开销会随着平台的不同而变化，然而按照经验来看，在大多数通用的处理器中上下文切换的开销相当于50~10000个时钟周期，也就是几微秒。

​ UNIX系统的 vmstat命令能报告上下文切换次数以及在内核中执行时间所占比例等信息。如果内核占用率较高(超过10%),那么通常表示调度活动发生得很频繁，这很可能是由IO或竞争锁导致的阻塞引起的。

内存同步

​ 同步操作的性能开销包括多个方面，在 synchronized和 volatile提供的可见性保证中可能会使用一些特殊指令,即内存栅栏( Memory Barrier)。内存栅栏可以刷新缓存，使缓存无效刷新硬件的写缓冲以及停止执行管道。内存栅栏可能同样会对性能带来间接的影响，因为它们将抑制一些编译器优化操作。在内存栅栏中大多数操作都是不能被重排序的。

阻塞
引起阻塞的原因

​ 包括阻塞IO等待获取发生竞争的锁，或者在条件变量上等待等等。

阻塞会导致线程挂起

​ 【挂起：挂起进程在操作系统中可以定义为暂时被淘汰出内存的进程，机器的资源是有限的，在资源不足的情况下，操作系统对在内存中的程序进行合理的安排，其中有的进程被暂时调离出内存，当条件允许的时候，会被操作系统再次调回内存，重新进入等待被执行的状态即就绪态，系统在超过一定的时间没有任何动作】。
很明显这个操作至少包括两次额外的上下文切换，还有相关的操作系统级的操作等等。

线程安全的单例模式

双重检查锁定

比较老的方式，线程不安全

原理：在getInstance()方法中，进行两次null检查。这样可以极大提升并发度，进而提升性能。

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public class SingletonDoubleCheck {
   //TODO 注意如果不适用volatile 关键字无法保证线程安全
   private volatile static SingletonDoubleCheck sDoubleCheck;
   private SingletonDoubleCheck() {}
   public static SingletonDoubleCheck getInstance() {
      //第一次检查，不加锁
      if(sDoubleCheck == null) {
         System.out.println(Thread.currentThread()+" is null");
         synchronized(SingletonDoubleCheck.class) {
            //第二次检查，加锁情况下
            if(sDoubleCheck == null) {
                System.out.println(Thread.currentThread()+" is null");
                    //内存中分配空间  1
                    //空间初始化 2
                    //把这个空间的地址给我们的引用  3
               sDoubleCheck = new SingletonDoubleCheck();
            }
         }
      }
      return sDoubleCheck;
   }
}

解决办法，加volatile关键字。

静态内部类实现单例模式（无锁方式）

原理：通过一个静态内部类定义一个静态变量来持有当前类实例，在类加载时就创建好，使用时获取。
缺点：无法做到延迟创建对象，在类加载时进行创建会导致初始化时间变长。

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public class LazySingleton {
   //TODO 通过private修饰，就是为了防止这个类被随意创建
   private LazySingleton(){}
   //TODO 利用虚拟机的类初始化机制创建单例
   private static class SingletonHolder {
      private static LazySingleton instance = new LazySingleton();
   }
   //TODO
   public static LazySingleton getInstance() {
      return SingletonHolder.instance;
   }
}
懒汉式

原理：类延迟创建，在单例类的内部由一个私有静态内部类来持有这个单例类的实例，延迟占位模式还可以用在多线程下实例域的延迟赋值。
缺点：由于synchronized的存在，多线程时效率很低。

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public class LazySingletonSynchronized {
   //TODO 通过private修饰，就是为了防止这个类被随意创建,只有内部自己可以创建
   private LazySingletonSynchronized(){
      System.out.println("LazySingleton is created!!");
   }
   // TODO 首先instance对象必须是private并且static，如果不是private那么instance的安全无法得到保证
   //TODO 其次因为工厂方法必须是static，因此变量instance也必须是static
   private static LazySingletonSynchronized instance = null;
   // TODO 为了防止对象被多次创建，使用synchronized关键字进行同步（缺点是并发环境下加锁，竞争激励的场合可能对性能产生一定影响）
   public static synchronized LazySingletonSynchronized getInstance() {
      if(instance == null) {
         instance = new LazySingletonSynchronized();
      }
      return instance;
   }
}
饿汉式

原理：在声明的时候就new这个类的实例，因为在JVM中，对类的加载和类初始化，由虚拟机保证线程安全，每次要用时直接返回。
缺点：无法做到延迟创建对象，在类加载时进行创建会导致初始化时间变长。

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public class SingletonSynchronized {
   //TODO 通过private修饰，就是为了防止这个类被随意创建,只有内部自己可以创建
   private SingletonSynchronized(){ }
   // TODO 首先instance对象必须是private并且static，如果不是private那么instance的安全无法得到保证
   //TODO 其次因为工厂方法必须是static，因此变量instance也必须是static
   private static SingletonSynchronized instance = new SingletonSynchronized();
   public static SingletonSynchronized getInstance() {
      return instance;
   }
}
上述4种方式实现单例模式的缺点
反序列化对象时会破环单例

反序列化对象时不会调用getXX()方法，于是绕过了确保单例的逻辑，直接生成了一个新的对象，破环了单例。

解决办法是：重写类的反序列化方法，在反序列化方法中返回单例而不是创建一个新的对象。
//反序列时直接返回当前INSTANCE

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private Object readResolve() {
return INSTANCE;
}
使用反射

在代码中通过反射机制，直接调用类的私有构造函数创建新的对象，会破环单例

解决办法是：维护一个volatile的标志变量在第一次创建实例时置为false；重写构造函数，根据标志变量决定是否允许创建。

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private static volatile boolean flag = true;
private Singleton(){
if(flag){
flag = false; //第一次创建时，改变标志
}else{
throw new RuntimeException(“The instance already exists ！”);
}
使用枚举

原理：定义枚举类型，里面只维护一个实例，以此保证单例。每次取用时都从枚举中取，而不会取到其他实例。

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public enum SingletonEnum {
    INSTANCE;
    private String name;
    public String getName(){
        return name;
    }
    public void setName(String name){
        this.name = name;
    }
}
优点

  1. 使用SingletonEnum.INSTANCE进行访问，无需再定义getInstance方法和调用该方法。

  2. JVM对枚举实例的唯一性，避免了上面提到的反序列化和反射机制破环单例的情况出现：每一个枚举类型和定义的枚举变量在JVM中都是唯一的。

　

原因：枚举类型在序列化时仅仅是将枚举对象的name属性输出到结果中，反序列化的时候则是通过java.lang.Enum的valueOf方法来根据名字查找枚举对象。
同时，编译器禁止重写枚举类型的writeObject、readObject、readObjectNoData、writeReplace和readResolve等方法。

如何减少锁的竞争

减少锁的粒度

​ 使用锁的时候，锁所保护的对象是多个，当这些多个对象其实是独立变化的时候，不如用多个锁来一一保护这些对象。但是如果有同时要持有多个锁的业务方法，要注意避免发生死锁

缩小锁的范围

​ 对锁的持有实现快进快出，尽量缩短持由锁的的时间。将一些与锁无关的代码移出锁的范围，特别是一些耗时，可能阻塞的操作

避免多余的锁

​ 两次加锁之间的语句非常简单，导致加锁的时间比执行这些语句还长，这个时候应该进行锁粗化—扩大锁的范围。

锁分段

​ ConcurrrentHashMap就是典型的锁分段。

替换独占锁
在业务允许的情况下
  • 使用读写锁。
  • 用自旋CAS。
  • 使用系统的并发容器。

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更新于：2020年7月17日

并发

并发安全

线程安全

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