線程安全性

作者：xcbeyond
瘋狂源自夢(mèng)想，技術(shù)成就輝煌！微信公眾號(hào)：《程序猿技術(shù)大咖》號(hào)主，專注后端開發(fā)多年，擁有豐富的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，樂于技術(shù)輸出、分享，現(xiàn)階段從事微服務(wù)架構(gòu)項(xiàng)目的研發(fā)工作，涉及架構(gòu)設(shè)計(jì)、技術(shù)選型、業(yè)務(wù)研發(fā)等工作。對(duì)于Java、微服務(wù)、數(shù)據(jù)庫、Docker有深入了解，并有大量的調(diào)優(yōu)經(jīng)驗(yàn)。

線程的使用一直是難以把控掌握的。如果使用得當(dāng)，線程可以有效地降低程序的開發(fā)和維護(hù)等成本，同時(shí)提升復(fù)雜應(yīng)用程序的性能。在GUI應(yīng)用程序中，提高用戶界面的響應(yīng)靈敏度，在服務(wù)器應(yīng)用程序中，提升資源利用率以及系統(tǒng)吞吐量。

     然而，如果使用不當(dāng)，線程將會(huì)帶來一系列不可預(yù)估的風(fēng)險(xiǎn)。Java對(duì)線程的支持其實(shí)就是一把雙刃劍。雖然Java明確是一種跨平臺(tái)(編寫異常，隨處運(yùn)行)的語言，JDK并提供了相應(yīng)的類庫，簡化了程序的開發(fā)，但更多的在處理一些復(fù)雜程序時(shí)，就需要使用線程，隨之引入的“并發(fā)性”問題（線程安全性），就成為了開發(fā)人員實(shí)現(xiàn)考慮的難點(diǎn)。

    在多線程中的各個(gè)操作的順序都是不可預(yù)測(cè)的，有時(shí)其執(zhí)行結(jié)果簡直出乎意料，令人驚訝。例如，通過下面代碼片段的數(shù)值序列生成器，用來生成一個(gè)遞增序列。

    package com.xcbeyond.thread;
     
    import net.jcip.annotations.NotThreadSafe;
     
    /**
     * 非線程安全的數(shù)值序列生成器
     * @author xcbeyond
     * 2018-5-6下午03:17:33
     */
    public class UnSafeThreadSequence {
        private int value;
        
        /**
         * 返回一個(gè)唯一的值
         * @return
         */
        public int getValue() {
            return value++;
        }
    }

       

     如果在單線程中執(zhí)行，沒有任何問題，結(jié)果也正如我們預(yù)期的一樣。而在多線程并發(fā)的場(chǎng)景下操作，將會(huì)出現(xiàn)不同線程之間交替操作，不同線程很可能同時(shí)讀取同一個(gè)值，得到相同值，導(dǎo)致不同線程返回了相同的序列值，這恰恰與我們的預(yù)期截然相反。

     這充分說明了一種常見的線程并發(fā)危險(xiǎn)：競(jìng)爭(zhēng)條件。因?yàn)榫€程共享了相同的內(nèi)存空間地址，且并發(fā)的執(zhí)行，它們可能訪問或修改其他線程正在使用的變量，將會(huì)出現(xiàn)變量競(jìng)爭(zhēng)情況。

       線程安全就是多線程訪問時(shí)，采用了加鎖機(jī)制，當(dāng)一個(gè)線程訪問該類的某個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，進(jìn)行保護(hù)，其他線程不能進(jìn)行訪問直到該線程讀取完，其他線程才可使用。不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致或者數(shù)據(jù)污染。 線程不安全就是不提供數(shù)據(jù)訪問保護(hù)，有可能出現(xiàn)多個(gè)線程先后更改數(shù)據(jù)造成所得到的數(shù)據(jù)是臟數(shù)據(jù)。


     如何編寫線程安全的代碼呢？

    編寫線程安全的代碼，核心在于要對(duì)狀態(tài)訪問操作進(jìn)行管理，特別是對(duì)共享的（Shared）和可變的（Mutable）狀態(tài)的訪問。一個(gè)對(duì)象是否需要時(shí)線程安全的，取決于該對(duì)象是否被多線程訪問。這指的是程序中訪問對(duì)象的方式，而不是對(duì)象要實(shí)現(xiàn)的功能。要使得對(duì)象是線程安全的，要采用同步機(jī)制來協(xié)同對(duì)對(duì)象可變狀態(tài)的訪問。Java常用的同步機(jī)制是Synchronized，還包括 volatile類型的變量，顯示鎖以及原子變量。

原子性：

      假定有兩個(gè)操作A和B，如果從執(zhí)行A的線程來看，當(dāng)另一個(gè)線程執(zhí)行B時(shí)，要么將B完全執(zhí)行完，要么完全不執(zhí)行B，那么A和B對(duì)彼此來說是原子的。原子操作是指：對(duì)于訪問同一個(gè)狀態(tài)的所有操作（包括該操作本身）來說，這個(gè)操作是一個(gè)以原子方式執(zhí)行的操作。

      競(jìng)態(tài)條件（Race Condition）：某個(gè)計(jì)算/程序的正確性取決于多個(gè)線程的交替執(zhí)行的時(shí)序。（線程的時(shí)序不同，產(chǎn)生的結(jié)果可能會(huì)不同）
　 “先檢查后執(zhí)行”，即通過一個(gè)潛在的過渡值來決定下一步的操作。

     首先觀察到某個(gè)條件為真，然后開始執(zhí)行相關(guān)的程序，但是在多線程的運(yùn)行環(huán)境中，條件判斷的結(jié)果以及開始執(zhí)行程序中間，觀察結(jié)果可能變得無效（另外一個(gè)線程在此期間執(zhí)行了相關(guān)的動(dòng)作），從而導(dǎo)致無效。

     “讀取-修改-寫入”，基于對(duì)象之前的狀態(tài)來定義對(duì)象狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。即使是volatile修飾的變量，在多線程的環(huán)境里面進(jìn)行自增操作，同樣會(huì)發(fā)生競(jìng)態(tài)條件，所以volatile不能保證絕對(duì)的線程安全。
加鎖機(jī)制：

　　在線程安全的定義中，多個(gè)線程間的操作無論采用何種執(zhí)行時(shí)序或交替方式，都要保證不變性條件不被破壞。當(dāng)不變性條件中涉及多個(gè)變量時(shí)，各個(gè)變量之間并不是互相獨(dú)立的，一個(gè)變量發(fā)生變化會(huì)對(duì)其他變量的值產(chǎn)生約束。因此，一個(gè)變量發(fā)生改變，在同一個(gè)原子操作里面，其他相關(guān)變量也要更新。
　　 內(nèi)置鎖：同步代碼塊（Synchronized Block）包括兩部分：一個(gè)作為鎖的對(duì)象引用，一個(gè)作為由這個(gè)鎖保護(hù)的代碼塊。關(guān)鍵字Synchronized修飾方法就是一種同步代碼塊，鎖就是方法調(diào)用所在的對(duì)象，靜態(tài)的Synchronized方法以Class對(duì)象作為鎖。內(nèi)置鎖或監(jiān)視鎖就是以對(duì)象作為實(shí)現(xiàn)同步的鎖。

　　內(nèi)置鎖在Java中扮演了互斥鎖的角色，意味著最多只有一個(gè)線程可以擁有鎖，當(dāng)線程A嘗試請(qǐng)求一個(gè)被線程B占用的鎖時(shí)，線程A必須等待或者處于阻塞狀態(tài)，知道B釋放為止。如果B不釋放鎖，A將永遠(yuǎn)等待下去。

　   雖然同步代碼塊解決了線程安全問題，但線程可能出現(xiàn)等待或者阻塞情況，導(dǎo)致響應(yīng)性能非常低下。（解決了線程安全問題，但可能會(huì)出現(xiàn)性能問題）可以盡可能的將每個(gè)同步代碼塊的大小進(jìn)行調(diào)整，即：同步代碼塊“足夠小”，在一定程度上解決了線程安全問題，也解決了性能低下的問題。要判斷同步代碼塊的合理大小，需要在各種設(shè)計(jì)需求之間進(jìn)行權(quán)衡，包括安全性( 必須得到滿足)、簡單性和性能。