關於線程安全

文章內容均來摘自：《深刻理解Java虛擬機：JVM高級特性與最佳實踐》。內容縮減

 

1.什麼是線程安全？如何定義線程安全？

  《Java Concurrency In Practice》做者Brian Goetz對線程安全作了個定義：當多個線程訪問一個對象時，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，也不須要進行額外的同步，後者在調用方進行任何其它的協調操做，調用這個對象的行爲均可以得到正確的結果，那麼這個對象就是線程安全的。

  它要求線程安全的代碼必須具有一個特性：代碼自己封裝了全部必要的正確性保障（如互斥同步等），令調用者無需關心多線程的問題，更無需本身採起任何措施來保證多線程的正確調用（好比J.U.C包下的一些併發集合框架）。

2.Java語言中的線程安全

  在Java語言中，如何體現線程安全？若是一段代碼不會與其餘線程共享數據，那麼從線程安全的角度來看，程序是串行執行仍是併發執行對它來講是沒有區別的，也就是這段代碼是線程安全的；即多線程安全問題，在於多線程之間存在共享數據訪問操做。

  那麼有哪些操做時線程安全的？在Java中，按照線程安全的「程度」由強至弱排序，分爲5種：不可變、絕對線程安全、相對線程安全、線程兼容和線程對立。

  a.不可變

  （特指JDK1.5版本以後，即Java內存模型被修復以後的Java版本），不可變（Immutable）的對象必定是線程安全的，不管對象的方法實現仍是方法的調用者，都不須要採起任何的線程安全保障，若是一個對象是不可變的，那麼它永遠是一致的。

  若是共享數據是一個基本數據類型，那麼只要在定義的時候使用final修飾就能夠保證它是不可變的（不可變即線程安全），若是共享數據是一個對象，咱們要保證操做該對象不會對它的狀態產生變化，好比java.lang.String類，咱們調用它的substring、replace等操做都會返回一個新對象而不對自身狀態進行變動（一個簡單的作法就是將對象中帶有狀態的變量以final修飾，這樣再初始化以後，便爲不可變）。

  b.絕對線程安全

  在Java中，標註爲線程安全的類，通常都不是絕對線程安全的，能夠用java中的一個非絕對線程安全的線程安全類來看看這個」絕對」的意思。

  好比java.util.Vector是一個線程安全的容器，全部方法都被synchronized修飾，儘管這樣效率很低，但的確是安全的；可是，即便它全部的方法都被修飾成同步，也並不意味着使用它就再也不須要同步手段了。

  若是A線程刪除了一個元素，致使某個序號不在可用，B線程恰好用那個序號訪問數組就會拋出越界異常，因此須要對A線程的remove操做和B線程的get操做進行同步操做。

  c.相對線程安全

  對於b中的比方就是典型的相對線程安全示例。java中大多數線程安全類都是相對線程安全的，好比Vector、Hashtable、Collections下的synchronizedCollection方法包裝的集合等。

  d.線程兼容

  對象自己並非線程安全的，可是能夠經過同步手段來保證對象在併發環境中能夠安全使用，日常說的一個類不是線程安全的，大部分指的就是這種狀況。好比相對於c的Vector、Hashtabl的ArrayList、HashMap等。

  e.線程對立

  不管調用端是否採起了同步手段，都沒法在併發環境中使用的代碼。

  一個線程對立的例子，就是Thread類的suspend()和resume()方法，好比有兩個線程同時調用一個對象，一個嘗試去中斷線程，另外一個嘗試去恢復線程，若是併發執行的話，不管是否進行了同步，都會產生死鎖的風險。

3.線程安全的實現方法

  咱們能夠經過三種方式來實現線程安全。

  a.互斥同步

  互斥同步是常見的一種併發正確性保障手段，同步指的是在多個線程併發訪問共享數據的時候，保證共享數據在同一時刻只被一個線程使用（或者一些，使用信號量的時候）。

  Java中基本的同步手段就是synchronized關鍵字，synchronized同步塊對同一個線程是可重入的，不會把本身鎖死的狀況（即我得到了這把鎖，在同步塊中還能夠繼續使用而不會鎖住不讓執行）；同步塊在線程執行完以前，會阻塞其它線程的進入。

  除了synchronized以外，還可使用J.U.C包下的重入鎖ReentrantLock來實現同步，基本用法和synchronized相似，都具備同樣的線程可重入性，只是代碼上的區別，一種是API層面的互斥鎖（利用lock和unlock方法配合try/finally塊來完成），另外一種是原生語法層面的互斥鎖。不過，相比synchronized，ReentrantLock增長了一些高級功能主要有：等待可中斷、可實現公平鎖、可綁定多個條件。

  ·等待可中斷：指當前持鎖線程長期不釋放鎖，正在等待的線程能夠放棄等待，轉而處理其它事情，可中斷操做對處理執行時間很長的同步塊頗有幫助。

  ·公平鎖：多個線程在等待同一個鎖的時候，必須按照申請的時間順序依次得到鎖（相似於生活中的排隊，先來後到）。而非公平鎖在鎖被釋放的時候，任一線程均可能得到鎖；synchronized是一個非公平鎖，ReentrantLock默認也是非公平鎖，可是能夠經過參數來設定。

  ·綁定多個條件：一個ReentrantLock能夠同時綁定多個Conditional對象，而在synchronized中，所對象的wait()和notify()或notifyAll()方法可實現一個隱含的條件，若是要喝多於一個的條件關聯的時候，就不得不額外的添加一個鎖，而ReentrantLock則無需這麼作，只須要屢次調用newConditional便可。

  基於性能及虛擬機將來優化的考慮，在能知足同步需求的狀況下，推薦使用synchronized。（在JDK1.6版本及以上synchronized性能基本與ReentrantLock持平）。

  b.非阻塞同步

  互斥同步最主要的問題是進行線程阻塞和喚醒所帶來的性能問題，所以這種同步也叫阻塞同步；從處理問題的方式上來講，互斥同步屬於一種悲觀的併發策略，認爲不去作正確的同步操做（例如加鎖），都會出現問題，不管共享數據是否真的會出現競爭。

  而非阻塞同步（樂觀的併發策略），通俗講就是先進行操做，若是無其它線程對共享數據進行爭用，那就操做成功了；若是有爭用，產生了衝突，那就重來，直到成功爲止。(參閱AtomicInteger的incrementAndGet()方法)

  樂觀併發策略須要「硬件指令集」，這類指令經常使用的有：

• 測試並設置（Test-and-Set）
• 獲取並增長（Fetch-and-Increment）
• 交換（Swap）
• 比較並交換（Compare-and-Swap，下文稱CAS）
• 加載連接/條件存儲（Load-Linked/Store-Conditional，下文稱LL/SC）

 CAS操做有一個邏輯漏洞：若是有一個值是A，而後曾經被改爲了B，後來又改回A，那麼CAS會誤認爲它沒有改變過，這個問題被稱爲CAS的"ABA"問題（J.U.C包下的一個帶有標記的原子引用類AtomicStampedReference，它能夠經過控制變量的版本號來保證CAS的正確性）。可是大部分狀況下"ABA"問題不會影響程序併發的正確性，若是須要解決ABA問題，採用傳統的互斥同步相對比原子類操做更高效。

  c.無同步方案

  要保證線程安全，並不必定要進行同步，同步只是保證共享數據的正確性，若是一個方法不涉及共享數據，那它天然就無需任何同步手段去保證正確性了；所以會有一些代碼天生具備線程安全性。

  ·可重入代碼：可重入代碼具備一些共同的特性，例如不依賴存儲在堆上的數據和公用的系統資源、用到的狀態量都由參數傳入、不調用非可重入的方法等。咱們能夠經過一個簡單的原則來判斷一段代碼是否具備可重入性：例若有一個方法，它的返回結果老是可預測的，只要輸入了相同的數據，給你的都是同一個結果，那它就知足了可重入的要求，那就是線程安全的了。

  ·線程本地存儲：ThreadLocal