关于线程安全

文章内容均来摘自：《深刻理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》。内容缩减

 

1.什么是线程安全？如何定义线程安全？

  《Java Concurrency In Practice》做者Brian Goetz对线程安全作了个定义：当多个线程访问一个对象时，若是不用考虑这些线程在运行时环境下的调度和交替执行，也不须要进行额外的同步，后者在调用方进行任何其它的协调操做，调用这个对象的行为均可以得到正确的结果，那么这个对象就是线程安全的。

  它要求线程安全的代码必须具有一个特性：代码自己封装了全部必要的正确性保障（如互斥同步等），令调用者无需关心多线程的问题，更无需本身采起任何措施来保证多线程的正确调用（好比J.U.C包下的一些并发集合框架）。

2.Java语言中的线程安全

  在Java语言中，如何体现线程安全？若是一段代码不会与其余线程共享数据，那么从线程安全的角度来看，程序是串行执行仍是并发执行对它来讲是没有区别的，也就是这段代码是线程安全的；即多线程安全问题，在于多线程之间存在共享数据访问操做。

  那么有哪些操做时线程安全的？在Java中，按照线程安全的“程度”由强至弱排序，分为5种：不可变、绝对线程安全、相对线程安全、线程兼容和线程对立。

  a.不可变

  （特指JDK1.5版本以后，即Java内存模型被修复以后的Java版本），不可变（Immutable）的对象必定是线程安全的，不管对象的方法实现仍是方法的调用者，都不须要采起任何的线程安全保障，若是一个对象是不可变的，那么它永远是一致的。

  若是共享数据是一个基本数据类型，那么只要在定义的时候使用final修饰就能够保证它是不可变的（不可变即线程安全），若是共享数据是一个对象，咱们要保证操做该对象不会对它的状态产生变化，好比java.lang.String类，咱们调用它的substring、replace等操做都会返回一个新对象而不对自身状态进行变动（一个简单的作法就是将对象中带有状态的变量以final修饰，这样再初始化以后，便为不可变）。

  b.绝对线程安全

  在Java中，标注为线程安全的类，通常都不是绝对线程安全的，能够用java中的一个非绝对线程安全的线程安全类来看看这个”绝对”的意思。

  好比java.util.Vector是一个线程安全的容器，全部方法都被synchronized修饰，尽管这样效率很低，但的确是安全的；可是，即便它全部的方法都被修饰成同步，也并不意味着使用它就再也不须要同步手段了。

  若是A线程删除了一个元素，致使某个序号不在可用，B线程恰好用那个序号访问数组就会抛出越界异常，因此须要对A线程的remove操做和B线程的get操做进行同步操做。

  c.相对线程安全

  对于b中的比方就是典型的相对线程安全示例。java中大多数线程安全类都是相对线程安全的，好比Vector、Hashtable、Collections下的synchronizedCollection方法包装的集合等。

  d.线程兼容

  对象自己并非线程安全的，可是能够经过同步手段来保证对象在并发环境中能够安全使用，日常说的一个类不是线程安全的，大部分指的就是这种状况。好比相对于c的Vector、Hashtabl的ArrayList、HashMap等。

  e.线程对立

  不管调用端是否采起了同步手段，都没法在并发环境中使用的代码。

  一个线程对立的例子，就是Thread类的suspend()和resume()方法，好比有两个线程同时调用一个对象，一个尝试去中断线程，另外一个尝试去恢复线程，若是并发执行的话，不管是否进行了同步，都会产生死锁的风险。

3.线程安全的实现方法

  咱们能够经过三种方式来实现线程安全。

  a.互斥同步

  互斥同步是常见的一种并发正确性保障手段，同步指的是在多个线程并发访问共享数据的时候，保证共享数据在同一时刻只被一个线程使用（或者一些，使用信号量的时候）。

  Java中基本的同步手段就是synchronized关键字，synchronized同步块对同一个线程是可重入的，不会把本身锁死的状况（即我得到了这把锁，在同步块中还能够继续使用而不会锁住不让执行）；同步块在线程执行完以前，会阻塞其它线程的进入。

  除了synchronized以外，还可使用J.U.C包下的重入锁ReentrantLock来实现同步，基本用法和synchronized相似，都具备同样的线程可重入性，只是代码上的区别，一种是API层面的互斥锁（利用lock和unlock方法配合try/finally块来完成），另外一种是原生语法层面的互斥锁。不过，相比synchronized，ReentrantLock增长了一些高级功能主要有：等待可中断、可实现公平锁、可绑定多个条件。

  ·等待可中断：指当前持锁线程长期不释放锁，正在等待的线程能够放弃等待，转而处理其它事情，可中断操做对处理执行时间很长的同步块颇有帮助。

  ·公平锁：多个线程在等待同一个锁的时候，必须按照申请的时间顺序依次得到锁（相似于生活中的排队，先来后到）。而非公平锁在锁被释放的时候，任一线程均可能得到锁；synchronized是一个非公平锁，ReentrantLock默认也是非公平锁，可是能够经过参数来设定。

  ·绑定多个条件：一个ReentrantLock能够同时绑定多个Conditional对象，而在synchronized中，所对象的wait()和notify()或notifyAll()方法可实现一个隐含的条件，若是要喝多于一个的条件关联的时候，就不得不额外的添加一个锁，而ReentrantLock则无需这么作，只须要屡次调用newConditional便可。

  基于性能及虚拟机将来优化的考虑，在能知足同步需求的状况下，推荐使用synchronized。（在JDK1.6版本及以上synchronized性能基本与ReentrantLock持平）。

  b.非阻塞同步

  互斥同步最主要的问题是进行线程阻塞和唤醒所带来的性能问题，所以这种同步也叫阻塞同步；从处理问题的方式上来讲，互斥同步属于一种悲观的并发策略，认为不去作正确的同步操做（例如加锁），都会出现问题，不管共享数据是否真的会出现竞争。

  而非阻塞同步（乐观的并发策略），通俗讲就是先进行操做，若是无其它线程对共享数据进行争用，那就操做成功了；若是有争用，产生了冲突，那就重来，直到成功为止。(参阅AtomicInteger的incrementAndGet()方法)

  乐观并发策略须要“硬件指令集”，这类指令经常使用的有：

• 测试并设置（Test-and-Set）
• 获取并增长（Fetch-and-Increment）
• 交换（Swap）
• 比较并交换（Compare-and-Swap，下文称CAS）
• 加载连接/条件存储（Load-Linked/Store-Conditional，下文称LL/SC）

 CAS操做有一个逻辑漏洞：若是有一个值是A，而后曾经被改为了B，后来又改回A，那么CAS会误认为它没有改变过，这个问题被称为CAS的"ABA"问题（J.U.C包下的一个带有标记的原子引用类AtomicStampedReference，它能够经过控制变量的版本号来保证CAS的正确性）。可是大部分状况下"ABA"问题不会影响程序并发的正确性，若是须要解决ABA问题，采用传统的互斥同步相对比原子类操做更高效。

  c.无同步方案

  要保证线程安全，并不必定要进行同步，同步只是保证共享数据的正确性，若是一个方法不涉及共享数据，那它天然就无需任何同步手段去保证正确性了；所以会有一些代码天生具备线程安全性。

  ·可重入代码：可重入代码具备一些共同的特性，例如不依赖存储在堆上的数据和公用的系统资源、用到的状态量都由参数传入、不调用非可重入的方法等。咱们能够经过一个简单的原则来判断一段代码是否具备可重入性：例若有一个方法，它的返回结果老是可预测的，只要输入了相同的数据，给你的都是同一个结果，那它就知足了可重入的要求，那就是线程安全的了。

  ·线程本地存储：ThreadLocal