Java併發讀書筆記：線程安全與互斥同步

時間 2020-02-13

標籤 java 併發讀書筆記線程安全互斥同步欄目 Java 简体版

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本篇參考許多著名的書籍，造成讀書筆記，便於加深記憶。java

前文傳送門：Java併發讀書筆記：JMM與重排序編程

致使線程不安全的緣由

當一個變量被多個線程讀取，且至少被一個線程寫入時，若是讀寫操做不遵循happens-before規則，那麼就會存在數據競爭的隱患，若是不給予正確的同步手段，將會致使線程不安全。api

什麼是線程安全

Brian Goetz在《Java併發編程實戰》中是這樣定義的：安全

當多個線程訪問一個類時，若是不用考慮這些線程在運行時環境下的調度和交替執行，而且不須要額外的同步及在調用方代碼沒必要作其餘的協調，這個類的行爲仍然是正確的，那麼這個類就是線程安全的。多線程

周志明在《深刻理解Java虛擬機》中提到：多個線程之間存在共享數據時，這些數據能夠按照線程安全程度進行分類：併發

不可變

不可變的對象必定是線程安全的，只要一個不可變的對象被正確地構建出來，那麼它在多個線程中的狀態就是一致的。例如用final關鍵字修飾對象：app

修飾的是基本數據類型，final修飾不可變。
修飾的是一個對象，就須要保證其狀態不發生變化。

JavaAPI中符合不可變要求的類型：String類，枚舉類，數值包裝類型（如Double）和大數據類型（BigDecimal)。工具

絕對線程安全

即徹底知足上述對於線程安全定義的。性能

知足該定義其實須要付出不少代價，Java中標註線程安全的類，實際上絕大多數都不是線程安全的（如Vector），由於它仍須要在調用端作好同步措施。Java中絕對線程安全的類：CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet。

相對線程安全

即咱們一般所說的線程安全，Java中大部分的線程安全類都屬於該範疇，如Vector，HashTable，Collections集合工具類的synchronizedCollection()方法包裝的集合等等。就拿Vector舉例：若是有個線程在遍歷某個Vector、有個線程同時在add這個Vector，99%的狀況下都會出現ConcurrentModificationException，也就是fail-fast機制。

線程兼容

對象自己並非線程安全的，能夠經過在調用段正確同步保證對象在併發環境下安全使用。如咱們以前學的分別與Vector和HashTable對應的ArrayList和HashMap。

對象經過synchronized關鍵字修飾，達到同步效果，自己是安全的，但相對來講，效率會低不少。

線程對立

不管調用端是否採起同步措施，都沒法正確地在多線程環境下執行。Java典型的線程對立：Thread類中的suspend()和resume()方法：若是兩個線程同時操控一個線程對象，一個嘗試掛起，一個嘗試恢復，將會存在死鎖風險，已經被棄用。

常見的對立：System.setIn()，System.setOut()和System.runFinalizersOnExit()。

互斥同步實現線程安全

互斥同步也被稱作阻塞同步(由於互斥同步會由於線程阻塞和喚醒產生性能問題），它是實現線程安全的其中一種方法，還有一種是非阻塞同步，以後再作學習。

互斥同步：保證併發下，共享數據在同一時刻只被一個線程使用。

synchronized內置鎖

其中使用synchronized關鍵字修飾方法或代碼塊是最基本的互斥同步手段。

synchronized是Java提供的一種強制原子性的內置鎖機制，以synchronized代碼塊的定義方式來講：

synchronized(lock){
    //訪問或修改被鎖保護的共享狀態
}

它包含了兩部分：一、鎖對象的引用二、鎖保護的代碼塊。

每一個Java對象均可以做爲用於同步的鎖對象，咱們稱該類的鎖爲監視器鎖（monitor locks），也被稱做內置鎖。

能夠這樣理解：線程在進入synchronized以前須要得到這個鎖對象，在線程正常結束或者拋出異常都會釋放這個鎖。

而這個鎖對象很好地完成了互斥，假設A持有鎖，這時若是B也想訪問這個鎖，B就會陷入阻塞。A釋放了鎖以後，B纔可能中止阻塞。

鎖即對象

對於普通同步方法，鎖是當前實例對象（this）。

//普通同步方法
public synchronized void do(){}

對於靜態同步方法，鎖是當前的類的Class對象。

//靜態同步方法
public static synchronized void f(){}

對於同步方法塊，鎖的是括號裏配置的對象。

//鎖對象爲TestLock的類對象
synchronized (TestLock.class){    
    f();
}

明確：synchronized方法和代碼塊本質上沒啥不一樣，方法只是對跨越整個方法體的代碼塊的簡短描述，而這個鎖是方法所在對象自己（static修飾的方法，對象是當前類對象）。這個部分能夠參考：Java併發之synchronized深度解析

是否要釋放鎖

釋放鎖的狀況：

線程執行完畢。
遇到return、break終止。
拋出未處理的異常或錯誤。
調用了當前對象的wait()方法。

不釋放鎖的狀況：

調用了Thread.sleep()和Thread.yield()暫停執行不會釋放鎖。
調用suspend()掛起線程，不會釋放鎖，已被棄用。

實現原理

JVM基於進入和退出Monitor對象來實現方法同步和代碼塊同步，但二者實現細節不一樣。

代碼塊同步使用monitorenter和monitorexit兩個指令實現，JVM的要求以下：

monitorenter指令會在編譯後插入到同步代碼塊的開始位置，而monitorexit則會插入到方法結束和異常處。
每一個對象都有一個monitor與之關聯，且當一個monitor被持有以後，他會處於鎖定狀態。
線程執行到monitorenter時，會嘗試獲取對象對應monitor的全部權。
在獲取鎖時，若是對象沒被鎖定，或者當前線程已經擁有了該對象的鎖（可重進入，不會鎖死本身），將鎖計數器加一，執行monitorexit時，鎖計數器減一，計數爲零則鎖釋放。
獲取對象鎖失敗，則當前線程陷入阻塞，直到對象鎖被另一個線程釋放。

啥是重進入？

重進入意味着：任意線程在獲取到鎖以後可以再次獲取該鎖而不會被鎖阻塞，synchronized是隱式支持重進入的，所以不會出現鎖死本身的狀況。

這就體現了鎖計數器的做用：得到一次鎖加一，釋放一次鎖減一，不管得到仍是釋放多少次，只要計數爲零，就意味着鎖被成功釋放。

ReentrantLock（重入鎖）

ReentrantLock位於java.util.concurrent（J.U.C）包下，是Lock接口的實現類。基本用法與synchronized類似，都具有可重入互斥的特性，但擁有擴展的功能。

Lock接口的實現提供了比使用synchronized方法和代碼塊更普遍的鎖操做。容許更靈活的結構，具備徹底不一樣的屬性，而且可能支持多個關聯的Condition對象。

RenntrantLock官方推薦的基本寫法：

class X {
    //定義鎖對象
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    // ...
    //定義須要保證線程安全的方法
    public void m() {
        //加鎖
        lock.lock();  
        try{
        // 保證線程安全的代碼
        }
        // 使用finally塊保證釋放鎖
        finally {
            lock.unlock()
        }
    }
}