java并發(fā)編程實踐-線程安全性

線程是CPU資源調(diào)度的基本單位，如果一個程序中只有一個線程，則最多只能在一個處理器上運行，如果電腦/服務(wù)器是雙處理器系統(tǒng)，則單線程的程序只能使用一半的CPU資源，所以，多線程是提高處理器資源利用率的重要方法。比如web系統(tǒng)中的servlet容器，它處理請求時會針對每一個請求創(chuàng)建一個線程調(diào)用servlet的service方法（https://m.runoob.com/servlet/servlet-life-cycle.html），servlet的實例在容器中只會創(chuàng)建一個，所以就涉及到了并發(fā)操作問題（多個線程訪問處理同一個資源），下圖摘自菜鳥教程中給出的一個請求示例：

從上圖中可以看出，如果service()方法對某一個可變的公共變量做了操作，線程a,b,c如果未作合適的同步控制的話，程序必然會出現(xiàn)錯誤，修復(fù)這個問題有三種方式：

a.不在線程之間共享該狀態(tài)變量，也就是service()方法不會調(diào)用公共的變量/資源。

b.將狀態(tài)變量設(shè)置為不可修改的變量，也就是service()方法調(diào)用的公共變量的值是一個恒定的值，各個線程也不能對該變量進(jìn)行修改。

c.在訪問公共的狀態(tài)變量時進(jìn)行同步控制，也就是線程b/c要等線程a對公共變量的操作執(zhí)行完畢之后才能獲取訪問權(quán)。

一個無狀態(tài)的對象一定是線程安全的，如下示例：

package main;

import javax.servlet.*;
import java.io.IOException;

public class StatelessFactorizer implements Servlet {
    @Override
    public void service(ServletRequest req, ServletResponse res) throws ServletException, IOException {
        int id=(int)req.getAttribute("id");
        id++;
        req.setAttribute("id",id);
    }    
    @Override
    public void init(ServletConfig config) throws ServletException {
        
    }

    @Override
    public ServletConfig getServletConfig() {
        return null;
    }

    @Override
    public String getServletInfo() {
        return null;
    }

    @Override
    public void destroy() {

    }
}

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上面的代碼中，id雖然做了++操作，但是它是屬于方法的內(nèi)部變量，也是線程私有的，這個值是從前端帶過來的，所以這是一中“無狀態(tài)的”操作方法。

package main;

import javax.servlet.*;
import java.io.IOException;

public class UnsafeCounting implements Servlet {
    private long count=0;
    @Override
    public void service(ServletRequest req, ServletResponse res) throws ServletException, IOException {
        count++;
        req.setAttribute("count",count);
    }
    @Override
    public void init(ServletConfig config) throws ServletException {

    }

    @Override
    public ServletConfig getServletConfig() {
        return null;
    }

    @Override
    public String getServletInfo() {
        return null;
    }

    @Override
    public void destroy() {

    }
}

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再如上面的示例，UnsafeCounting實例的service方法由多個線程調(diào)用時，每個線程都會操作count這個公共資源，但是count++這種操作方法并不是原子性的，所以這種操作不是線程安全的。這里定義一個術(shù)語：

競態(tài)條件(Race Condition)：并發(fā)編程時，由于不恰當(dāng)?shù)膱?zhí)行時序而出現(xiàn)不正確的結(jié)果的情況。

對于有競態(tài)條件出現(xiàn)的情況下，需要使用“加鎖機制”來保證操作步驟的原子性，也就是多個線程對操作步驟的順序執(zhí)行，java提供了一種內(nèi)置的鎖機制來實現(xiàn)原子操作：同步代碼塊(synchronized block)，同步代碼塊由兩部分組成：

a.加鎖的對象，是一個引用，也就是說對哪個對象進(jìn)行加鎖，確定了加鎖的對象，所有的線程要先拿到這個對象的鎖才能進(jìn)行下一步的操作

b.由該鎖保護(hù)的代碼塊，也就是哪些操作步驟必須是原子操作，就將這些需要作為原子操作的步驟放到鎖所保護(hù)的代碼塊種即可

如下示例：

synchronized(obj){//todo 需要是原子操作的步驟}

**鎖的重入**

重入是一個重要特征，就是一個線程獲取到了某個鎖的執(zhí)行權(quán)，它再次獲取該鎖時，需要保證能夠獲取成功，

package main;

public class Widget {

    public synchronized void doSomething(){
        System.out.println("Widget doSomething "+this);
    }

    public static void main(String[] args) {
        LoggingWidget loggingWidget=new LoggingWidget();
        loggingWidget.doSomething();
    }
}

class LoggingWidget extends Widget{
    @Override
    public synchronized void doSomething() {
        System.out.println("LoggingWidget doSomething "+this);
        super.doSomething();
    }
}
---------輸出--------
LoggingWidget doSomething main.LoggingWidget@74a14482
Widget doSomething main.LoggingWidget@74a14482

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上面的代碼中，synchronized方法修飾的是非靜態(tài)方法，它的鎖對象是this，也就是方法調(diào)用所在的對象，如果synchronized放到靜態(tài)方法上，則其加鎖的對象是Class對象；從上面的打印中，super中輸出的this和子類中輸出的this是一樣的，如果synchronized鎖不能重入的話，子類在調(diào)用doSomething的時候已經(jīng)獲取到了“main.LoggingWidget@74a14482”的鎖，就不能調(diào)用super.doSomething()了，顯然是不合理的；鎖的重入則很完美地避免了該問題的產(chǎn)生。

是不是為了簡單起見，直接將synchronized加到方法上得了？當(dāng)然不是，因為還要考慮性能問題，如下實例：

class DownLoadFile extends HttpServlet{
    @Override
    protected synchronized void service(HttpServletRequest req,
                           HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {
        //todo 下載一個大文件
        File file=new File("c:/xxxx/uuu");
               
        //todo 對某個公共資源進(jìn)行操作
    }
}

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上面的代碼中，下載大文件的操作比較費時，如果對方法進(jìn)行加鎖，則性能很差，這時候可以不對下載大文件進(jìn)行加鎖，如下：

class DownLoadFile extends HttpServlet{
    @Override
    protected  void service(HttpServletRequest req,
                           HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {
        //todo 下載一個大文件
        File file=new File("c:/xxxx/uuu");
        synchronized(this){
            //todo 對某個公共資源進(jìn)行操作
        }        
    }
}

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上面的代碼中，性能將會提升很多，因為每個請求可以發(fā)送請求后立馬進(jìn)行文件下載操作，文件下載完畢后再嘗試獲取鎖對公共資源進(jìn)行操作。

以上是Java線程安全性的總結(jié)，在保證安全的同時也需要考慮性能問題，因此加鎖時需要做到：

a.識別哪些操作步驟需要是原子性操作，以保證程序的安全性

b.判斷哪些操作比較費時，這些比較費時的操作一定不要持有鎖，因為會嚴(yán)重影響程序性能，記住，只對需要加鎖的步驟進(jìn)行加鎖就可以了

posted on 2022-04-05 10:36 Judy518 閱讀(63) 評論(0) 收藏舉報

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