如何保證線程安全


按照“線程安全”的安全程度由強到弱來排序,我們可以將java語言中各種操作共享的數據分為以下5類:不可變、絕對線程安全、相對線程安全、線程兼容和線程對立

1、不可變

       在java語言中,不可變的對象一定是線程安全的,無論是對象的方法實現還是方法的調用者,都不需要再采取任何的線程安全保障措施。如final關鍵字修飾的數據不可修改,可靠性最高。

2、絕對線程安全

      絕對的線程安全完全滿足Brian GoetZ給出的線程安全的定義,這個定義其實是很嚴格的,一個類要達到“不管運行時環境如何,調用者都不需要任何額外的同步措施”通常需要付出很大的代價。

3、相對線程安全

      相對線程安全就是我們通常意義上所講的一個類是“線程安全”的。

       它需要保證對這個對象單獨的操作是線程安全的,我們在調用的時候不需要做額外的保障措施,但是對於一些特定順序的連續調用,就可能需要在調用端使用額外的同步手段來保證調用的正確性。

    在java語言中,大部分的線程安全類都屬於相對線程安全的,例如Vector、HashTable、Collections的synchronizedCollection()方法保證的集合。

4、線程兼容

      線程兼容就是我們通常意義上所講的一個類不是線程安全的。

      線程兼容是指對象本身並不是線程安全的,但是可以通過在調用端正確地使用同步手段來保證對象在並發環境下可以安全地使用。Java API中大部分的類都是屬於線程兼容的。如與前面的Vector和HashTable相對應的集合類ArrayList和HashMap等。

5、線程對立

      線程對立是指無論調用端是否采取了同步錯誤,都無法在多線程環境中並發使用的代碼。由於java語言天生就具有多線程特性,線程對立這種排斥多線程的代碼是很少出現的。

      一個線程對立的例子是Thread類的supend()和resume()方法。如果有兩個線程同時持有一個線程對象,一個嘗試去中斷線程,另一個嘗試去恢復線程,如果並發進行的話,無論調用時是否進行了同步,目標線程都有死鎖風險。正因此如此,這兩個方法已經被廢棄啦。

二、線程安全的實現方法

 保證線程安全以是否需要同步手段分類,分為同步方案和無需同步方案。

 1、互斥同步

        互斥同步是最常見的一種並發正確性保障手段。同步是指在多線程並發訪問共享數據時,保證共享數據在同一時刻只被一個線程使用(同一時刻,只有一個線程在操作共享數據)。而互斥是實現同步的一種手段,臨界區、互斥量和信號量都是主要的互斥實現方式。因此,在這4個字里面,互斥是因,同步是果;互斥是方法,同步是目的。

       在java中,最基本的互斥同步手段就是synchronized關鍵字,synchronized關鍵字編譯之后,會在同步塊的前后分別形成monitorenter和monitorexit這兩個字節碼質量,這兩個字節碼指令都需要一個reference類型的參數來指明要鎖定和解鎖的對象。

        此外,ReentrantLock也是通過互斥來實現同步。在基本用法上,ReentrantLock與synchronized很相似,他們都具備一樣的線程重入特性。

       互斥同步最主要的問題就是進行線程阻塞和喚醒所帶來的性能問題,因此這種同步也成為阻塞同步。從處理問題的方式上說,互斥同步屬於一種悲觀的並發策略,總是認為只要不去做正確地同步措施(例如加鎖),那就肯定會出現問題,無論共享數據是否真的會出現競爭,它都要進行加鎖。

       2、非阻塞同步

       隨着硬件指令集的發展,出現了基於沖突檢測的樂觀並發策略,通俗地說,就是先進行操作,如果沒有其他線程爭用共享數據,那操作就成功了;如果共享數據有爭用,產生了沖突,那就再采用其他的補償措施。(最常見的補償錯誤就是不斷地重試,直到成功為止),這種樂觀的並發策略的許多實現都不需要把線程掛起,因此這種同步操作稱為非阻塞同步。

        非阻塞的實現CAS(compareandswap):CAS指令需要有3個操作數,分別是內存地址(在java中理解為變量的內存地址,用V表示)、舊的預期值(用A表示)和新值(用B表示)。CAS指令執行時,CAS指令指令時,當且僅當V處的值符合舊預期值A時,處理器用B更新V處的值,否則它就不執行更新,但是無論是否更新了V處的值,都會返回V的舊值,上述的處理過程是一個原子操作。

        CAS缺點:

       ABA問題:因為CAS需要在操作值的時候檢查下值有沒有發生變化,如果沒有發生變化則更新,但是一個值原來是A,變成了B,又變成了A,那么使用CAS進行檢查時會發現它的值沒有發生變化,但是實際上卻變化了。

        ABA問題的解決思路就是使用版本號。在變量前面追加版本號,每次變量更新的時候把版本號加一,那么A-B-A就變成了1A-2B-3C。JDK的atomic包里提供了一個類AtomicStampedReference來解決ABA問題。這個類的compareAndSet方法作用是首先檢查當前引用是否等於預期引用,並且當前標志是否等於預期標志,如果全部相等,則以原子方式將該引用和該標志的值設置為給定的更新值。

       3、無需同步方案

        要保證線程安全,並不是一定就要進行同步,兩者沒有因果關系。同步只是保證共享數據爭用時的正確性的手段,如果一個方法本來就不涉及共享數據,那它自然就無需任何同步操作去保證正確性,因此會有一些代碼天生就是線程安全的。

        1)可重入代碼

       可重入代碼(ReentrantCode)也稱為純代碼(Pure Code),可以在代碼執行的任何時刻中斷它,轉而去執行另外一段代碼,而在控制權返回后,原來的程序不會出現任何錯誤。所有的可重入代碼都是線程安全的,但是並非所有的線程安全的代碼都是可重入的。

       可重入代碼的特點是不依賴存儲在堆上的數據和公用的系統資源、用到的狀態量都是由參數中傳入、不調用 非可重入的方法等。

       (類比:synchronized擁有鎖重入的功能,也就是在使用synchronized時,當一個線程得到一個對象鎖后,再次請求此對象鎖時時可以再次得到該對象的鎖)

      2)線程本地存儲

       如果一段代碼中所需的數據必須與其他代碼共享,那就看看這些共享數據的代碼是否能保證在同一個線程中執行?如果能保證,我們就可以把共享數據的可見范圍限制在同一個線程之內。這樣無需同步也能保證線程之間不出現數據的爭用問題。

       符合這種特點的應用並不少見,大部分使用消費隊列的架構模式(如“生產者-消費者”模式)都會將產品的消費過程盡量在一個線程中消費完。其中最重要的一個應用實例就是經典的Web交互模型中的“一個請求對應一個服務器線程(Thread-per-Request)”的處理方式,這種處理方式的廣泛應用使得很多Web服務器應用都可以使用線程本地存儲來解決線程安全問題。


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