Java併發編程——線程安全及解決機制簡介

簡介：

本文主要介紹了Java多線程環境下，可能會出現的問題(線程不安全)以及相應的解決措施。經過本文，你將學習到以下幾塊知識：

1. 爲何須要多線程(多線程的優點)

1. 多線程帶來的問題—線程安全

2. 產生線程不安全的緣由

3. 有哪些方法能解決線程不安全

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繫好安全帶，下面進入正文：

 

一：爲何須要多線程？

線程是Java語言中不可或缺的重要部分，它們能使複雜的異步代碼變得簡單，簡化複雜系統的開發；能充分發揮多處理器系統的強大計算能力。多線程和多進程的區別與選擇能夠參考個人另外一篇博客。

(1) 優勢

1. 充分利用硬件資源。因爲線程是cpu的基本調度單位，因此若是是單線程，那麼最多隻能同時在一個處理器上運行，意味着其餘的CPU資源都將被浪費。而多線程能夠同時在多個處理器上運行，只要各個線程間的通訊設計正確，那麼多線程將能充分利用處理器的資源。

2. 結構優雅。多線程程序能將代碼量巨大，複雜的程序分紅一個個簡單的功能模塊，每塊實現複雜程序的一部分單一功能，這將會使得程序的建模，測試更加方便，結構更加清晰，更加優雅。

3. 簡化異步處理。爲了不阻塞，單線程應用程序必須使用非阻塞I/O,這樣的I/O複雜性遠遠高於同步I/O，而且容易出錯。

(2) 缺點

1. 線程安全：因爲統一進程下的多個線程是共享一樣的地址空間和數據的，又因爲線程執行順序的不可預知性，一個線程可能會修改其餘線程正在使用的變量，這一方面是給數據共享帶來了便利；另外一方面，若是處理不當，會產生髒讀，幻讀等問題，好在Java提供了一系列的同步機制來幫助解決這一問題，例如內置鎖。

2. 活躍性問題。可能會發生長時間的等待鎖，甚至是死鎖。

3. 性能問題。 線程的頻繁調度切換會浪費資源，同步機制會致使內存緩衝區的數據無效，以及增長同步流量。

二：線程安全

(1) 定義：當多個線程訪問某個類時，無論運行時環境採用何種調度方式或者這些線程將如何交替運行，而且在主調試代碼中不須要任何額外的同步或者協同，這個類都能表現出正確的行爲，則稱這個類時線程安全的。線程安全類中封裝了必要的同步機制，所以客戶端無須進一步採起同步措施。

(2) 線程安全產生的緣由：正確性取決於多個線程的交替執行時序，產生了競態條件。

(3) 原子類： 應儘可能使用原子類，這樣會讓你分析線程安全時更加方便，但須要注意的是用線程安全類構建的類並不能保證線程安全。例如，一個AtomicInteger get() 和 AtomicInteger set() 是線程安全的，在一個類的一個方法 f()中同時用到了這兩個方法，此時的f()就是線程不安全的，由於你不能保證這個複合操做中的get 和 set同時更新。  

三：解決機制

1. 加鎖。

(1) 鎖能使其保護的代碼以串行的形式來訪問，當給一個複合操做加鎖後，能使其成爲原子操做。一種錯誤的思想是隻要對寫數據的方法加鎖，其實這是錯的，對數據進行操做的全部方法都需加鎖，無論是讀仍是寫。

(2) 加鎖時須要考慮性能問題，不能老是一味地給整個方法加鎖synchronized就了事了，應該將方法中不影響共享狀態且執行時間比較長的代碼分離出去。

(3) 加鎖的含義不單單侷限於互斥，還包括可見性。爲了確保全部線程都能看見最新值，讀操做和寫操做必須使用一樣的鎖對象。

2. 不共享狀態

(1) 無狀態對象： 無狀態對象必定是線程安全的，由於不會影響到其餘線程。

(2) 線程關閉： 僅在單線程環境下使用。

3. 不可變對象

可使用final修飾的對象保證線程安全，因爲final修飾的引用型變量(除String外)不可變是指引用不可變，但其指向的對象是可變的，因此此類必須安全發佈，也即不能對外提供能夠修改final對象的接口。