啃碎并发（五）：Java线程安全特性与问题

前言

在单线程中不会出现线程安全问题，而在多线程编程中，有可能会出现同时访问同一个 共享、可变资源 的情况，这种资源可以是：一个变量、一个对象、一个文件等。特别注意两点：

简单的说，如果你的代码在单线程下执行和在多线程下执行永远都能获得一样的结果，那么你的代码就是线程安全的。那么，当进行多线程编程时，我们又会面临哪些线程安全的要求呢？又是要如何去解决的呢？

1 线程安全特性

1.1 原子性

跟数据库事务的原子性概念差不多，即一个操作（有可能包含有多个子操作）要么全部执行（生效），要么全部都不执行（都不生效）。

关于原子性，一个非常经典的例子就是银行转账问题：

 

 

1.2 可见性

可见性是指，当多个线程并发访问共享变量时，一个线程对共享变量的修改，其它线程能够立即看到。可见性问题是好多人忽略或者理解错误的一点。

CPU从主内存中读数据的效率相对来说不高，现在主流的计算机中，都有几级缓存。每个线程读取共享变量时，都会将该变量加载进其对应CPU的高速缓存里，修改该变量后，CPU会立即更新该缓存，但并不一定会立即将其写回主内存（实际上写回主内存的时间不可预期）。此时其它线程（尤其是不在同一个CPU上执行的线程）访问该变量时，从主内存中读到的就是旧的数据，而非第一个线程更新后的数据。

这一点是操作系统或者说是硬件层面的机制，所以很多应用开发人员经常会忽略。

1.3 有序性

有序性指的是，程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。以下面这段代码为例：

 

从代码顺序上看，上面四条语句应该依次执行，但实际上JVM真正在执行这段代码时，并不保证它们一定完全按照此顺序执行。

处理器为了提高程序整体的执行效率，可能会对代码进行优化，其中的一项优化方式就是调整代码顺序，按照更高效的顺序执行代码。

讲到这里，有人要着急了——什么，CPU不按照我的代码顺序执行代码，那怎么保证得到我们想要的效果呢？实际上，大家大可放心，CPU虽然并不保证完全按照代码顺序执行，但它会保证程序最终的执行结果和代码顺序执行时的结果一致。

2 线程安全问题

2.1 竞态条件与临界区

线程之间共享堆空间，在编程的时候就要格外注意避免竞态条件。危险在于多个线程同时访问相同的资源并进行读写操作。当其中一个线程需要根据某个变量的状态来相应执行某个操作的之前，该变量很可能已经被其它线程修改。

 

 

2.2 死锁

死锁：指两个或两个以上的进程（或线程）在执行过程中，因争夺资源而造成的一种互相等待的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。

关于死锁发生的条件：

 

2.3 活锁

活锁：是指线程1可以使用资源，但它很礼貌，让其他线程先使用资源，线程2也可以使用资源，但它很绅士，也让其他线程先使用资源。这样你让我，我让你，最后两个线程都无法使用资源。

关于“死锁与活锁”的比喻：

 

 

2.4 饥饿

饥饿：是指如果线程T1占用了资源R，线程T2又请求封锁R，于是T2等待。T3也请求资源R，当T1释放了R上的封锁后，系统首先批准了T3的请求，T2仍然等待。然后T4又请求封锁R，当T3释放了R上的封锁之后，系统又批准了T4的请求......，T2可能永远等待。

也就是，如果一个线程因为CPU时间全部被其他线程抢走而得不到CPU运行时间，这种状态被称之为“饥饿”。而该线程被“饥饿致死”正是因为它得不到CPU运行时间的机会。

关于“饥饿”的比喻：

 

在Java中，下面三个常见的原因会导致线程饥饿，如下：

1.高优先级线程吞噬所有的低优先级线程的CPU时间

 

2.线程被永久堵塞在一个等待进入同步块的状态，因为其他线程总是能在它之前持续地对该同步块进行访问

 

3.线程在等待一个本身（在其上调用wait()）也处于永久等待完成的对象，因为其他线程总是被持续地获得唤醒

 

2.5 公平

解决饥饿的方案被称之为“公平性” – 即所有线程均能公平地获得运行机会。在Java中实现公平性方案，需要：

 

在Java中实现公平性，虽Java不可能实现100%的公平性，依然可以通过同步结构在线程间实现公平性的提高。

首先来学习一段简单的同步态代码：

 

如果有多个线程调用doSynchronized()方法，在第一个获得访问的线程未完成前，其他线程将一直处于阻塞状态，而且在这种多线程被阻塞的场景下，接下来将是哪个线程获得访问是没有保障的。

改为使用锁方式替代同步块，为了提高等待线程的公平性，我们使用锁方式来替代同步块：

 

注意到doSynchronized()不再声明为synchronized，而是用lock.lock()和lock.unlock()来替代。下面是用Lock类做的一个实现：

 

注意到上面对Lock的实现，如果存在多线程并发访问lock()，这些线程将阻塞在对lock()方法的访问上。另外，如果锁已经锁上（校对注：这里指的是isLocked等于true时），这些线程将阻塞在while(isLocked)循环的wait()调用里面。要记住的是，当线程正在等待进入lock() 时，可以调用wait()释放其锁实例对应的同步锁，使得其他多个线程可以进入lock()方法，并调用wait()方法。

这回看下doSynchronized()，你会注意到在lock()和unlock()之间的注释：在这两个调用之间的代码将运行很长一段时间。进一步设想，这段代码将长时间运行，和进入lock()并调用wait()来比较的话。这意味着大部分时间用在等待进入锁和进入临界区的过程是用在wait()的等待中，而不是被阻塞在试图进入lock()方法中。

在早些时候提到过，同步块不会对等待进入的多个线程谁能获得访问做任何保障，同样当调用notify()时，wait()也不会做保障一定能唤醒线程。因此这个版本的Lock类和doSynchronized()那个版本就保障公平性而言，没有任何区别。

但我们能够改变这种情况，如下：

 

下面将上面Lock类转变为公平锁FairLock。你会注意到新的实现和之前的Lock类中的同步和wait()/notify()稍有不同。重点是，每一个调用lock()的线程都会进入一个队列，当解锁时，只有队列里的第一个线程被允许锁住FairLock实例，所有其它的线程都将处于等待状态，直到他们处于队列头部。如下：

 

首先注意到lock()方法不在声明为synchronized，取而代之的是对必需同步的代码，在synchronized中进行嵌套。

 

还需注意到，QueueObject实际是一个semaphore。doWait()和doNotify()方法在QueueObject中保存着信号。这样做以避免一个线程在调用queueObject.doWait()之前被另一个线程调用unlock()并随之调用queueObject.doNotify()的线程重入，从而导致信号丢失。queueObject.doWait()调用放置在synchronized(this)块之外，以避免被monitor嵌套锁死，所以另外的线程可以解锁，只要当没有线程在lock方法的synchronized(this)块中执行即可。

最后，注意到queueObject.doWait()在try – catch块中是怎样调用的。在InterruptedException抛出的情况下，线程得以离开lock()，并需让它从队列中移除。

3 如何确保线程安全特性

3.1 如何确保原子性

3.1.1 锁和同步

常用的保证Java操作原子性的工具是锁和同步方法（或者同步代码块）。使用锁，可以保证同一时间只有一个线程能拿到锁，也就保证了同一时间只有一个线程能执行申请锁和释放锁之间的代码。

 

与锁类似的是同步方法或者同步代码块。使用非静态同步方法时，锁住的是当前实例；使用静态同步方法时，锁住的是该类的Class对象；使用静态代码块时，锁住的是synchronized关键字后面括号内的对象。下面是同步代码块示例：

 

无论使用锁还是synchronized，本质都是一样，通过锁或同步来实现资源的排它性，从而实际目标代码段同一时间只会被一个线程执行，进而保证了目标代码段的原子性。这是一种以牺牲性能为代价的方法。

3.1.2 CAS（compare and swap）

基础类型变量自增（i++）是一种常被新手误以为是原子操作而实际不是的操作。Java中提供了对应的原子操作类来实现该操作，并保证原子性，其本质是利用了CPU级别的CAS指令。由于是CPU级别的指令，其开销比需要操作系统参与的锁的开销小。AtomicInteger使用方法如下：

 

3.2 如何确保可见性

Java提供了volatile关键字来保证可见性。当使用volatile修饰某个变量时，它会保证对该变量的修改会立即被更新到内存中，并且将其它线程缓存中对该变量的缓存设置成无效，因此其它线程需要读取该值时必须从主内存中读取，从而得到最新的值。

volatile适用场景：volatile适用于不需要保证原子性，但却需要保证可见性的场景。一种典型的使用场景是用它修饰用于停止线程的状态标记。如下所示：

 

在这种实现方式下，即使其它线程通过调用stop()方法将isRunning设置为false，循环也不一定会立即结束。可以通过volatile关键字，保证while循环及时得到isRunning最新的状态从而及时停止循环，结束线程。

3.3 如何确保有序性

上文讲过编译器和处理器对指令进行重新排序时，会保证重新排序后的执行结果和代码顺序执行的结果一致，所以重新排序过程并不会影响单线程程序的执行，却可能影响多线程程序并发执行的正确性。

 

除了从应用层面保证目标代码段执行的顺序性外，JVM还通过被称为happens-before原则隐式地保证顺序性。两个操作的执行顺序只要可以通过happens-before推导出来，则JVM会保证其顺序性，反之JVM对其顺序性不作任何保证，可对其进行任意必要的重新排序以获取高效率。

happens-before原则（先行发生原则），如下：

 

4 关于线程安全的几个为什么

1.平时项目中使用锁和synchronized比较多，而很少使用volatile，难道就没有保证可见性？

 

2.锁和synchronized为何能保证可见性？

 

3.既然锁和synchronized即可保证原子性也可保证可见性，为何还需要volatile？

 

4.既然锁和synchronized可以保证原子性，为什么还需要AtomicInteger这种的类来保证原子操作？

 

5.还有没有别的办法保证线程安全？

6.synchronized即可修饰非静态方式，也可修饰静态方法，还可修饰代码块，有何区别？