JVM线程安全

发布于:2022-11-09 ⋅ 阅读:(4) ⋅ 点赞:(0) ⋅ 评论:(0)

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线程安全

Java语言中的线程安全

1.不可变

2.绝对线程安全

3.相对线程安全

4.线程兼容

5.线程对立

线程安全的实现方法

1.互斥同步(悲观锁)

synchronized

java.util.concurrent.locks.Lock

优先使用synchronized

2.非阻塞同步(乐观锁)

3.无同步方案(不涉及共享数据,天生线程安全)


在软件业发展的初期,程序编写都是以算法为核心的,程序员会把数据和过程分别作为独立的部 分来考虑,数据代表问题空间中的客体,程序代码则用于处理这些数据,这种思维方式直接站在计算 机的角度去抽象问题和解决问题,被称为面向过程的编程思想。

与此相对,面向对象的编程思想则站 在现实世界的角度去抽象和解决问题,它把数据和行为都看作对象的一部分,这样可以让程序员能以符合现实世界的思维方式来编写和组织程序

线程安全

多个线程同时访问一个对象时,如果不用考虑这些线程在运行时环境下的调度和交替执行,也不需要进行额外的同步,或者在调用方进行任何其他的协调操作调用这个对象的行为(单次调用)都可以获得正确的结果,那就称这个对象是线程安全的。

上述要求线程安全的代码都必须具备一个共同特征:代码本身封装了所有必要的正确性保障手段(如互斥同步等),令调用者无须关心多线程下的调用问题,更无须自己实现任何措施来保证多线程环境下的正确调用。

Java语言中的线程安全

Java语言中各种操作共享的数 据分为以下五类:不可变、绝对线程安全、相对线程安全、线程兼容和线程对立

1.不可变

在Java语言里面,不可变 (Immutable)的对象一定是线程安全的,无论是对象的方法实现还是方法的调用者,都不需要再进行任何线程安全保障措施。

只要一个不可变的对象被正确地构建出来(即没有发生this引用逃逸的情况),那其外部的可见状态永远都不会改变,永远都不会看到它在多个线程之中处于不一致的状态。“不可变”带来的安全性是最直接、 最纯粹的。

Java语言中,如果多线程共享的数据是一个基本数据类型,那么只要在定义时使用final关键字修饰 它就可以保证它是不可变的。

如果共享数据是一个对象,由于Java语言目前暂时还没有提供值类型的支持,那就需要对象自行保证其行为不会对其状态产生任何影响才行。类比java.lang.String类的对象实例,它是一个典型的不可变对象,用户调用它的 substring()、replace()和concat()这些方法都不会影响它原来的值,只会返回一个新构造的字符串对象。

在Java类库API中符合不可变要求的类型,除了上面提到的String之外,常用的还有枚举类型及 java.lang.Number的部分子类,如Long和Double等数值包装类型、BigInteger和BigDecimal等大数据类型。

2.绝对线程安全

一 个类要达到“不管运行时环境如何,调用者都不需要任何额外的同步措施”可能需要付出非常高昂的, 甚至不切实际的代价。在Java API中标注自己是线程安全的类,大多数都不是绝对的线程安全。

package create;

import java.util.Vector;

public class Solution {
    private static Vector<Integer> vector = new Vector<Integer>();

    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                vector.add(i);
            }
            /*
尽管这里使用到的Vector的get()、remove()和size()方法都是同步的,但是在多线程的环境
中,如果不在方法调用端做额外的同步措施,使用这段代码仍然是不安全的。因为如果另一个线程恰
好在错误的时间里删除了一个元素,导致序号i已经不再可用,再用i访问数组就会抛出一个
ArrayIndexOutOfBoundsException异常。
            */
            /*Thread removeThread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
                        vector.remove(i);
                    }
                }
            });
            Thread printThread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
                        System.out.println((vector.get(i)));
                    }
                }
            });*/
            Thread removeThread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    synchronized (vector) {
                        for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
                            vector.remove(i);
                        }
                    }
                }
            });
            Thread printThread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    synchronized (vector) {
                        for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
                            System.out.println((vector.get(i)));
                        }
                    }
                }
            });
            removeThread.start();
            printThread.start();
//不要同时产生过多的线程,否则会导致操作系统假死
            while (Thread.activeCount() > 20) ;
        }
    }
}

假如Vector一定要做到绝对的线程安全,那就必须在它内部维护一组一致性的快照访问才行,每次 对其中元素进行改动都要产生新的快照,这样要付出的时间和空间成本都是非常大的。

3.相对线程安全

相对线程安全就是我们通常意义上所讲的线程安全,它需要保证对这个对象单次的操作是线程安 全的,我们在调用的时候不需要进行额外的保障措施,但是对于一些特定顺序的连续调用,就可能需 要在调用端使用额外的同步手段来保证调用的正确性。

Java语言中,大部分声称线程安全的类都属于这种类型,例如Vector、HashTable、Collections的 synchronizedCollection()方法包装的集合等。

4.线程兼容

线程兼容是指对象本身并不是线程安全的,但是可以通过在调用端正确地使用同步手段来保证对 象在并发环境中可以安全地使用。我们平常说一个类不是线程安全的,通常就是指这种情况。Java类 库API中大部分的类都是线程兼容的,如与前面的Vector和HashTable相对应的集合类ArrayList和 HashMap等。

5.线程对立

线程对立是指不管调用端是否采取了同步措施,都无法在多线程环境中并发使用代码。由于Java 语言天生就支持多线程的特性,线程对立这种排斥多线程的代码是很少出现的,而且通常都是有害 的,应当尽量避免。

一个线程对立的例子是Thread类的suspend()和resume()方法。如果有两个线程同时持有一个线程对 象,一个尝试去中断线程,一个尝试去恢复线程,在并发进行的情况下,无论调用时是否进行了同 步,目标线程都存在死锁风险——假如suspend()中断的线程就是即将要执行resume()的那个线程,那就 肯定要产生死锁了。也正是这个原因,suspend()和resume()方法都已经被声明废弃了。常见的线程对立 的操作还有System.setIn()、Sytem.setOut()和System.runFinalizersOnExit()等。

线程安全的实现方法

1.互斥同步(悲观锁)

互斥同步(Mutual Exclusion & Synchronization)是一种最常见也是最主要的并发正确性保障手 段。

同步是指在多个线程并发访问共享数据时,保证共享数据在同一个时刻只被一条(或者是一些, 当使用信号量的时候)线程使用。

互斥实现同步的一种手段临界区(Critical Section)、互斥量 (Mutex)和信号量(Semaphore)都是常见的互斥实现方式。

因此在“互斥同步”这四个字里面,互斥是因,同步是果;互斥是方法,同步是目的。

synchronized

在Java里面,最基本的互斥同步手段就是synchronized关键字,这是一种块结构(Block Structured)的同步语法。

synchronized关键字经过Javac编译之后,会在同步块的前后分别形成 monitorenter和monitorexit这两个字节码指令。

这两个字节码指令都需要一个reference类型的参数指明要锁定和解锁的对象

如果Java源码中的synchronized明确指定了对象参数,那就以这个对象的引用作为reference;

如果没有明确指定,那将根据synchronized修饰的方法类型(如实例方法或类方法),来决定是取代码所在的对象实例还是取类型对应的Class对象来作为线程要持有的锁。

执行monitorenter指令时,首先要去尝试获取对象的锁。

  • 如果这个对象没被锁定,或者当前线程已经持有了那个对象的锁,就把锁的计数器的值增加一,而在执行 monitorexit指令时会将锁计数器的值减一。一旦计数器的值为零,锁随即就被释放了。
  • 如果获取对象锁失败,那当前线程就应当被阻塞等待,直到请求锁定的对象被持有它的线程释放为止。

两个关于synchronized的直接推论:

  • 被synchronized修饰的同步块对同一条线程来说是可重入的。这意味着同一线程反复进入同步块也不会出现自己把自己锁死的情况。
  • 被synchronized修饰的同步块在持有锁的线程执行完毕并释放锁之前,会无条件地阻塞后面其他 线程的进入。这意味着无法像处理某些数据库中的锁那样,强制已获取锁的线程释放锁;也无法强制 正在等待锁的线程中断等待或超时退出。

从执行成本的角度看,持有锁是一个重量级(Heavy-Weight)的操作。

在主流Java虚拟机实现中,Java的线程是映射到操作系统的原生内核线程之上的如果要阻塞或唤醒一条线程,则需要操作系统来帮忙完成,这就不可避免地陷入用户态到核心态的转换中,进行这种状态转 换需要耗费很多的处理器时间。

尤其是对于代码特别简单的同步块(譬如被synchronized修饰的getter() 或setter()方法),状态转换消耗的时间甚至会比用户代码本身执行的时间还要长。

因此才说, synchronized是Java语言中一个重量级的操作,有经验的程序员都只会在确实必要的情况下才使用这种操作。而虚拟机本身也会进行一些优化,譬如在通知操作系统阻塞线程之前加入一段自旋等待过程, 以避免频繁地切入核心态之中。

java.util.concurrent.locks.Lock

Java类库中新提供了java.util.concurrent包(下文称J.U.C包),其中的 java.util.concurrent.locks.Lock接口便成了Java的另一种全新的互斥同步手段。

基于Lock接口,用户能够 以非块结构(Non-Block Structured)来实现互斥同步,从而摆脱了语言特性的束缚,改为在类库层面 去实现同步

重入锁(ReentrantLock)是Lock接口最常见的一种实现,顾名思义,它与synchronized一样是可 重入的。

在基本用法上,ReentrantLock也与synchronized很相似,只是代码写法上稍有区别而已。不 过,ReentrantLock与synchronized相比增加了一些高级功能,主要有以下三项:等待可中断、可实现公平锁及锁可以绑定多个条件。

  • 等待可中断:是指当持有锁的线程长期不释放锁的时候,正在等待的线程可以选择放弃等待,改 为处理其他事情。可中断特性对处理执行时间非常长的同步块很有帮助。
  • 公平锁:是指多个线程在等待同一个锁时,必须按照申请锁的时间顺序来依次获得锁;而非公平 锁则不保证这一点,在锁被释放时,任何一个等待锁的线程都有机会获得锁。synchronized中的锁是非公平的,ReentrantLock在默认情况下也是非公平的,但可以通过带布尔值的构造函数要求使用公平锁。不过一旦使用了公平锁,将会导致ReentrantLock的性能急剧下降,会明显影响吞吐量。
  • 锁绑定多个条件:是指一个ReentrantLock对象可以同时绑定多个Condition对象。在synchronized 中,锁对象的wait()跟它的notify()或者notifyAll()方法配合可以实现一个隐含的条件,如果要和多于一 个的条件关联的时候,就不得不额外添加一个锁;而ReentrantLock则无须这样做,多次调用 newCondition()方法即可。

优先使用synchronized

在synchronized与ReentrantLock都可满足需要时优先使用synchronized:

  • synchronized是在Java语法层面的同步,足够清晰,也足够简单。每个Java程序员都熟悉 synchronized,但J.U.C中的Lock接口则并非如此。因此在只需要基础的同步功能时,更推荐 synchronized。
  • Lock应该确保在finally块中释放锁,否则一旦受同步保护的代码块中抛出异常,则有可能永远不会释放持有的锁。这一点必须由程序员自己来保证,而使用synchronized的话则可以由Java虚拟机来确保即使出现异常,锁也能被自动释放。
  • 从长远来看,Java虚拟机更容易针对synchronized来进行优化,因为Java虚拟机可以在线程和对象的元数据中记录synchronized中锁的相关信息,而使用J.U.C中的Lock的话,Java虚拟机是很难得知具体哪些锁对象是由特定线程锁持有的。

2.非阻塞同步(乐观锁)

互斥同步面临的主要问题是进行线程阻塞和唤醒所带来的性能开销,因此这种同步也被称为阻塞 同步(Blocking Synchronization)。

从解决问题的方式上看,互斥同步属于一种悲观的并发策略,其总是认为只要不去做正确的同步措施(例如加锁),那就肯定会出现问题,无论共享的数据是否真的会出现竞争,它都会进行加锁(这里讨论的是概念模型,实际上虚拟机会优化掉很大一部分不必要的加 锁),这将会导致用户态到核心态转换、维护锁计数器和检查是否有被阻塞的线程需要被唤醒等开销。

基于冲突检测的乐观并发策略,通俗地说就是不管风险,先进行操作,如果没有其他线程争用共享数据,那操作就直接成功了;如果共享的数据的确被争用,产生了冲突,那再进行其他的补偿措施,最常用的补偿措施是不断地重试,直到出现没有竞争的共享数据为止。

这种乐观并发策略的实现不再需要把线程阻塞挂起,因此这种同步操作被称为非阻塞同步(Non-Blocking Synchronization),使用这种措施的代码也常被称为无锁(Lock-Free) 编程。

必须要求操作和冲突检测这两个步骤具备原子性。

硬件保证某些从语义上看起来需要多次操作的行为可以只通过一条处理器指令就能完成,这类指令常用的有:

  • 测试并设置(Test-and-Set);
  • 获取并增加(Fetch-and-Increment);
  • 交换(Swap);
  • 比较并交换(Compare-and-Swap,下文称CAS);
  • 加载链接/条件储存(Load-Linked/Store-Conditional,下文称LL/SC)。

CAS指令需要有三个操作数,分别是内存位置(在Java中可以简单地理解为变量的内存地址,用V 表示)、旧的预期值(用A表示)和准备设置的新值(用B表示)。

CAS指令执行时,当且仅当V符合 A时,处理器才会用B更新V的值,否则它就不执行更新。但是,不管是否更新了V的值,都会返回V的 旧值,上述的处理过程是一个原子操作,执行期间不会被其他线程中断。

在JDK 5之后,Java类库中才开始使用CAS操作,该操作由sun.misc.Unsafe类里面的 compareAndSwapInt()和compareAndSwapLong()等几个方法包装提供。

HotSpot虚拟机在内部对这些方法做了特殊处理,即时编译出来的结果就是一条平台相关的处理器CAS指令,没有方法调用的过程, 或者可以认为是无条件内联进去了。

由于Unsafe类在设计上就不是提供给用户程序调用的类 (Unsafe::getUnsafe()的代码中限制了只有启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)加载的Class才能访问 它),因此在JDK 9之前只有Java类库可以使用CAS,譬如J.U.C包里面的整数原子类,其中的 compareAndSet()和getAndIncrement()等方法都使用了Unsafe类的CAS操作来实现。而如果用户程序也有 使用CAS操作的需求,那要么就采用反射手段突破Unsafe的访问限制,要么就只能通过Java类库API来 间接使用它。直到JDK 9之后,Java类库才在VarHandle类里开放了面向用户程序使用的CAS操作。

/**
* AtomicInteger中的自增方法
* Atomically increment by one the current value.
* @return the updated value
*/
public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}

incrementAndGet()方法在一个无限循环中,不断尝试将一个比当前值大一的新值赋值给自己。如 果失败了,那说明在执行CAS操作的时候,旧值已经发生改变,于是再次循环进行下一次操作,直到 设置成功为止。

存在一个逻辑漏洞:如果一个变量V初次读取的时候是A 值,并且在准备赋值的时候检查到它仍然为A值,那就能说明它的值没有被其他线程改变过了吗?这 是不能的,因为如果在这段期间它的值曾经被改成B,后来又被改回为A,那CAS操作就会误认为它从 来没有被改变过。这个漏洞称为CAS操作的“ABA问题”

J.U.C包为了解决这个问题,提供了一个带有标记的原子引用类AtomicStampedReference,它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。不过目前来说这个类处于相当鸡肋的位置,大部分情况下ABA问题不会影响程序并发的正确性,如果需要解决ABA问题,改用传统的互斥同步可能会比原子类更为高效。

3.无同步方案(不涉及共享数据,天生线程安全)

要保证线程安全,也并非一定要进行阻塞或非阻塞同步,同步与线程安全两者没有必然的联系。 同步只是保障存在共享数据争用时正确性的手段,如果能让一个方法本来就不涉及共享数据,那它自然就不需要任何同步措施去保证其正确性,因此会有一些代码天生就是线程安全的

可重入代码(Reentrant Code):这种代码又称纯代码(Pure Code),是指可以在代码执行的任何时刻中断它,转而去执行另外一段代码(包括递归调用它本身),而在控制权返回后,原来的程序不会出现任何错误,也不会对结果有所影响。

在特指多线程的上下文语境里(不涉及信号量等因素),可以认为可重入代码是线程安全代码的一个真子集,这意味着相对线程安全来说,可重入性是更为基础的特性,它可以保证代码线程安全,即所有可重入的代码都是线程安全的,但并非所 有的线程安全的代码都是可重入的。

可重入代码有一些共同的特征,例如,不依赖全局变量、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中传入,不调用非可重入的方法等。

通过一个比较简单的原则来判断代码是否具备可重入性:如果一个方法的返回结果是可以预测的,只要输入了相同的数据,就都能返回相同的结果,那它就满足可重入性的要求,当然也就是线程安全的。

线程本地存储(Thread Local Storage):如果一段代码中所需要的数据必须与其他代码共享,那就看看这些共享数据的代码是否能保证在同一个线程中执行。如果能保证,我们就可以把共享数据的可见范围限制在同一个线程之内,这样,无须同步也能保证线程之间不出现数据争用的问题。

大部分使用消费队列的架构模式(如“生产者-消费者”模式)都会 将产品的消费过程限制在一个线程中消费完,其中最重要的一种应用实例就是经典Web交互模型中 的“一个请求对应一个服务器线程”(Thread-per-Request)的处理方式,这种处理方式的广泛应用使得很多Web服务端应用都可以使用线程本地存储来解决线程安全问题。

Java语言中,如果一个变量要被多线程访问,可以使用volatile关键字将它声明为“易变的”;如果 一个变量只要被某个线程独享,Java中就没有类似C++中__declspec(thread) 这样的关键字去修饰,不 过我们还是可以通过java.lang.ThreadLocal类来实现线程本地存储的功能。

每一个线程的Thread对象中都有一个ThreadLocalMap对象,这个对象存储了一组以ThreadLocal.threadLocalHashCode为键,以本地线程变量为值的K-V值对,ThreadLocal对象就是当前线程的ThreadLocalMap的访问入口,每一个 ThreadLocal对象都包含了一个独一无二的threadLocalHashCode值,使用这个值就可以在线程K-V值对 中找回对应的本地线程变量。

Thread类

/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
 * by the ThreadLocal class. */
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

TreadLocal 

    /**
     * Returns the value in the current thread's copy of this
     * thread-local variable.  If the variable has no value for the
     * current thread, it is first initialized to the value returned
     * by an invocation of the {@link #initialValue} method.
     *
     * @return the current thread's value of this thread-local
     */
    public T get() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null) {
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                T result = (T)e.value;
                return result;
            }
        }
        return setInitialValue();
    }
    /**
     * Sets the current thread's copy of this thread-local variable
     * to the specified value.  Most subclasses will have no need to
     * override this method, relying solely on the {@link #initialValue}
     * method to set the values of thread-locals.
     *
     * @param value the value to be stored in the current thread's copy of
     *        this thread-local.
     */
    public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null) {
            map.set(this, value);
        } else {
            createMap(t, value);
        }
    }
public static void main(String[] args) {
    ThreadLocal t = new ThreadLocal<>();
    t.set(1);
    t.set(2);
    System.out.println(t.get()); //  2
}