第六章 并发安全笔记

什么是线程安全性？在《Java并发编程实战》中，定义如下：
当多个线程访问某个类时，不管运行时环境采用何种调度方式或者这些线程将如何交替执行，并且在调用代码中不需要任何额外的同步或者协同，这个类都能表现出正确的行为，那么就称这个类是线程安全的。

一、线程封闭

实现好的并发是一件困难的事情，所以很多时候我们都想躲避并发。避免并发最简单的方法就是线程封闭。什么是线程封闭呢？就是把对象封装到一个线程里，只有这一个线程能看到此对象。那么这个对象就算不是线程安全的也不会出现任何安全问题。实现线程封闭有哪些方法呢？

ad-hoc线程封闭：
这是完全靠实现者控制的线程封闭，他的线程封闭完全靠实现者实现。Ad-hoc线程封闭非常脆弱，应该尽量避免使用。

栈封闭：
栈封闭是我们编程当中遇到的最多的线程封闭。什么是栈封闭呢？简单的说就是局部变量。多个线程访问一个方法，此方法中的局部变量都会被拷贝一份到线程栈中。所以局部变量是不会被多个线程所共享的，也就不会出现并发问题。所以能用局部变量就别用全局的变量，全局变量容易引起并发问题。

1、无状态的类

没有任何成员变量的类，就叫无状态的类，这种类一定是线程安全的。如果这个类的方法参数中使用了对象，也是线程安全的吗？比如：

public class StatelessClass {
	public int service(int a,int b){
	    return a+b;
    }
    public void serviceUser(UserVo user){
        //do sth user
    }
}

当然也是，因为多线程下的使用，固然user这个对象的实例会不正常，但是对于StatelessClass这个类的对象实例来说，它并不持有UserVo的对象实例，它自己并不会有问题，有问题的是UserVo这个类，而非StatelessClass本身。

2、让类不可变

让状态不可变，两种方式：

• 加final关键字，对于一个类，所有的成员变量应该是私有的，同样的只要有可能，所有的成员变量应该加上final关键字，但是加上final，要注意如果成员变量又是一个对象时，这个对象所对应的类也要是不可变，才能保证整个类是不可变的。参见代码：

   public class ImmutableClass {
    	private final int a;
    	public int getA() {
    		return a;
    	}
    	public UserVo getUser() {
    		return user;
    	}
    	public ImmutableClass(int a) {
    		this.a = a;
    	}

	public static class User{
    	private int age;
		public int getAge() {
			return age;
		}
		public void setAge(int age) {
			this.age = age;
		}
    }  
}

• 根本就不提供任何可供修改成员变量的地方，同时成员变量也不作为方法的返回值。参见代码：

   public class ImmutableClassToo {
    	private final List list = new ArrayList<>(3);
    	public ImmutableClassToo() {
    		list.add(1);
    	    list.add(2);
    	    list.add(3);
    	}
    	public boolean isContain(int i){
    		return list.contains(i);
    	 }
    }

但是要注意，一旦类的成员变量中有对象，上述的final关键字保证不可变并不能保证类的安全性，为何？因为在多线程下，虽然对象的引用不可变，但是对象在堆上的实例是有可能被多个线程同时修改的，没有正确处理的情况下，对象实例在堆中的数据是不可预知的。这就牵涉到了如何安全的发布对象这个问题。

public class ImmutableClass {
	private final int a;
	private final UserVo user = new UserVo(); //不安全
	 
	public int getA() {
		return a;
	}
	public UserVo getUser() {
		return user;
	}
	public ImmutableClass(int a) {
		this.a = a;
	}
	
	public static class User{
    	private int age;
		public int getAge() {
			return age;
		}
		public void setAge(int age) {
			this.age = age;
		}
    }  
}

• volatile方式：并不能保证类的线程安全性，只能保证类的可见性，最适合一个线程写，多个线程读的情景。
• 加锁和CAS：我们最常使用的保证线程安全的手段，使用synchronized关键字，使用显式锁，使用各种原子变量，修改数据时使用CAS机制等等。

3、安全的发布

类中持有的成员变量，如果是基本类型，发布出去，并没有关系，因为发布出去的其实是这个变量的一个副本，参见代码：

public class SafePublish {
	private int i;
    public SafePublish() {
    	i = 2;
    }
	public int getI() {
		return i;
	}
	public static void main(String[] args) {
		SafePublish safePublish = new SafePublish();
		int j = safePublish.getI();
		System.out.println("before j="+j);
		j = 3;
		System.out.println("after j="+j);
		System.out.println("getI = "+safePublish.getI());
	}
}

但是如果类中持有的成员变量是对象的引用，如果这个成员对象不是线程安全的，通过get等方法发布出去，会造成这个成员对象本身持有的数据在多线程下不正确的修改，从而造成整个类线程不安全的问题。参见以下代码可以看见：

public class UnSafePublish {
	private List list = new ArrayList<>(3);
    public UnSafePublish() {
    	list.add(1);
    	list.add(2);
    	list.add(3);
    }
	public List getList() {
		return list;
	}

	public static void main(String[] args) {
		UnSafePublish unSafePublish = new UnSafePublish();
		List list = unSafePublish.getList();
		System.out.println(list);
		list.add(4);
		System.out.println(list);
		System.out.println(unSafePublish.getList());
	}
}

这个list发布出去后，是可以被外部线程之间修改，那么在多个线程同时修改的情况下不安全问题是肯定存在的，怎么修正这个问题呢？我们在发布这对象的时候，就应该用线程安全的方式包装这个对象。我们将list用Collections.synchronizedList进行包装以后，无论多少线程使用这个list，就都是线程安全的了。

private List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>(3));

对于我们自己使用或者声明的类，JDK自然没有提供这种包装类的办法，但是我们可以仿造这种模式或者委托给线程安全的类，当然，对这种通过get等方法发布出去的对象，最根本的解决办法还是应该在实现上就考虑到线程安全问题。

TheadLocal方式：

ThreadLocal是实现线程封闭的最好方法。ThreadLocal内部维护了一个Map，Map的key是每个线程的名称，而Map的值就是我们要封闭的对象。每个线程中的对象都对应着Map中一个值，也就是ThreadLocal利用Map实现了对象的线程封闭。

Servlet辨析

不是线程安全的类，为什么我们平时没感觉到：
1、在需求上，很少有共享的需求。
2、接收到了请求，返回应答的时候，一般都是由一个线程来负责的。但是只要Servlet中有成员变量，一旦有多线程下的写，就很容易产生线程安全问题。

二、死锁

1、死锁的概念

死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，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。

举个例子：A和B去按摩洗脚，都想在洗脚的时候，同时顺便做个头部按摩，13技师擅长足底按摩，14擅长头部按摩。这个时候A先抢到14，B先抢到13，两个人都想同时洗脚和头部按摩，于是就互不相让，扬言我死也不让你，这样的话，A抢到14，想要13，B抢到13，想要14，在这个想同时洗脚和头部按摩的事情上A和B就产生了死锁。怎么解决这个问题呢？
第一种，假如这个时候，来了个15，刚好也是擅长头部按摩的，A又没有两个脑袋，自然就归了B，于是B就美滋滋的洗脚和做头部按摩，剩下A在旁边气鼓鼓的，这个时候死锁这种情况就被打破了，不存在了。
第二种，C出场了，用武力强迫A和B，必须先做洗脚，再头部按摩，这种情况下，A和B谁先抢到13，谁就可以进行下去，另外一个没抢到的，就等着，这种情况下，也不会产生死锁。

所以总结一下：
死锁是必然发生在多操作者（M>=2个）情况下，争夺多个资源（N>=2个，且N<=M）才会发生这种情况。很明显，单线程自然不会有死锁，只有B一个去，不要2个，打十个都没问题；单资源呢？只有13，A和B也只会产生激烈竞争，打得不可开交，谁抢到就是谁的，但不会产生死锁。同时，死锁还有一个重要的要求，争夺资源的顺序不对，如果争夺资源的顺序是一样的，也不会产生死锁。

2、学术化的定义

死锁的发生必须具备以下四个必要条件：

• 1）互斥条件：指进程对所分配到的资源进行排它性使用，即在一段时间内某资源只由一个进程占用。如果此时还有其它进程请求资源，则请求者只能等待，直至占有资源的进程用毕释放。
• 2）请求和保持条件：指进程已经保持至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其它进程占有，此时请求进程阻塞，但又对自己已获得的其它资源保持不放。
• 3）不剥夺条件：指进程已获得的资源，在未使用完之前，不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放。
• 4） 环路等待条件：指在发生死锁时，必然存在一个进程——资源的环形链，即进程集合{P0，P1，P2，···，Pn}中的P0正在等待一个P1占用的资源；P1正在等待P2占用的资源，……，Pn正在等待已被P0占用的资源。

理解了死锁的原因，尤其是产生死锁的四个必要条件，就可以最大可能地避免、预防和解除死锁。只要打破四个必要条件之一就能有效预防死锁的发生：

• 打破互斥条件：改造独占性资源为虚拟资源，大部分资源已无法改造。

• 打破不可抢占条件：当一进程占有一独占性资源后又申请一独占性资源而无法满足，则退出原占有的资源。

• 打破占有且申请条件：采用资源预先分配策略，即进程运行前申请全部资源，满足则运行，不然就等待，这样就不会占有且申请。

• 打破循环等待条件：实现资源有序分配策略，对所有设备实现分类编号，所有进程只能采用按序号递增的形式申请资源。

• 避免死锁常见的算法有有序资源分配法、银行家算法。

3、现象、危害和解决

在我们IT世界有没有存在死锁的情况，有：数据库里多事务而且要同时操作多个表的情况下。所以数据库设计的时候就考虑到了检测死锁和从死锁中恢复的机制。比如oracle提供了检测和处理死锁的语句，而mysql也提供了“循环依赖检测的机制”


在Java世界里存在着多线程争夺多个资源，不可避免的存在着死锁。那么我们在编写代码的时候什么情况下会发生呢？

3.1 现象

简单顺序死锁，参见代码 NormalDeadLock：

// 先拿第一个锁，再拿第二个锁
private static void fisrtToSecond() throws InterruptedException {
	String threadName = Thread.currentThread().getName();
	synchronized(valueFirst) {
		System.out.println(threadName + "get first  lock end!");
		Thread.sleep(100);
		synchronized(valueSecond) {
			System.out.println(threadName+" get second lock end!");
		}
	}
}
//先拿第二个锁，再拿第一个锁（产生死锁，可以通过调整锁的顺序解决）
private static void SecondToFisrt() throws InterruptedException {
    String threadName = Thread.currentThread().getName();
    synchronized (valueFirst){
        System.out.println(threadName+" get first lock end");
        Thread.sleep(100);
        synchronized (valueSecond){
            System.out.println(threadName+" get second lock  end");
        }
    }
}

动态顺序死锁：顾名思义也是和获取锁的顺序有关，但是比较隐蔽，不像简单顺序死锁，往往从代码一眼就看出获取锁的顺序不对。参见代码com.chj.thread.capt08.transfer.UserAccount。

3.2 危害

• 线程不工作了，但是整个程序还是活着的。
• 没有任何的异常信息可以供我们检查。
• 一旦程序发生了死锁，是没有任何的办法恢复的，只能重启程序，对生产平台程序来说，这是个很严重的问题。

实际工作中的死锁时间不定，不是每次必现；一旦出现没有任何异常信息，只知道这个应用的所有业务越来越慢，最后停止服务，无法确定是哪个具体业务导致的问题；测试部门也无法复现，并发量不够。

3.3 解决

定位：要解决死锁，当然要先找到死锁，怎么找？
首先打开控制台，cd C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\bin目录下通过jps 查询应用的 id，再通过jstack id 查看应用的锁的持有情况：

3.4 修正

关键是保证拿锁的顺序一致，两种解决方式：
1）内部通过顺序比较，确定拿锁的顺序；
2）采用尝试拿锁的机制。参见代码：

public class SafeOperate implements ITransfer{
	// 第三把锁
	private static Object tieLock = new Object();
	@Override
	public void transfer(UserAccount from, UserAccount to, int amount) throws InterruptedException {
		int fromHash = System.identityHashCode(from);
		int toHash = System.identityHashCode(to);
		if(fromHash < toHash) {
			synchronized(from) {
				System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" get "+from.getName());
				Thread.sleep(100);
                synchronized (to){
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" get "+to.getName());
                    from.reduceMoney(amount);
                    to.addMoney(amount);
                    System.out.println("from=="+from);
                    System.out.println("to==="+to);
                }
			}
		}else if(fromHash > toHash) {
			synchronized(to) {
				System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" get "+to.getName());
				Thread.sleep(100);
                synchronized (from){
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" get "+from.getName());
                    from.reduceMoney(amount);
                    to.addMoney(amount);
                    System.out.println("from=="+from);
                    System.out.println("to==="+to);
                }
			}
		}else {
			synchronized(tieLock) {
				synchronized(from) {
					synchronized(to) {
						 from.reduceMoney(amount);
		                 to.addMoney(amount);
		                 System.out.println("from=="+from);
		                 System.out.println("to==="+to);
					}
				}
			}
		}
	}
}

和SafeOperateToo：

public class SafeOperateToo implements ITransfer {
	@Override
	public void transfer(UserAccount from, UserAccount to, int amount) throws InterruptedException {
		Random r = new Random();
		while(true) {
			if(from.getLock().tryLock()) {
				System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" get"+from.getName());
				try {
					 System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" get"+to.getName());
                     from.reduceMoney(amount);
                     to.addMoney(amount);
                     System.out.println(from);
                     System.out.println(to);
                     break;
				}finally {
					from.getLock().unlock();
				}
			}
		}
	}
}

三、其他安全问题

1、活锁

两个线程在尝试拿锁的机制中，发生多个线程之间互相谦让，不断发生同一个线程总是拿到同一把锁，在尝试拿另一把锁时因为拿不到，而将本来已经持有的锁释放的过程。解决办法：每个线程休眠随机数，错开拿锁的时间。

• 线程饥饿：低优先级的线程，总是拿不到执行时间。
• 并发下的性能：使用并发的目标是为了提高性能，引入多线程后，其实会引入额外的开销，如线程之间的协调、增加的上下文切换，线程的创建和销毁，线程的调度等等。过度的使用和不恰当的使用，会导致多线程程序甚至比单线程还要低。
• 衡量应用的程序的性能：服务时间，延迟时间，吞吐量，可伸缩性等等，其中服务时间，延迟时间（多快），吞吐量（处理能力的指标，完成工作的多少）。多快和多少，完全独立，甚至是相互矛盾的。
• 对服务器应用来说：多少（可伸缩性，吞吐量）这个方面比多快更受重视。

我们做应用的时候：
1）先保证程序正确，确实达不到要求的时候，再提高速度。（黄金原则）
2）一定要以测试为基准。

2、线程引入的开销

2.1 上下文切换

如果主线程是唯一的线程，那么它基本上不会被调度出去。另一方面，如果可运行的线程数大于CPU的数量，那么操作系统最终会将某个正在运行的线程调度出来，从而使其他线程能够使用CPU。这将导致一次上下文切换，在这个过程中将保存当前运行线程的执行上下文，并将新调度进来的线程的执行上下文设置为当前上下文。上下文切换有点像我们同时阅读几本书，在来回切换书本的同时我们需要记住每本书当前读到的页码。

切换上下文需要一定的开销，而在线程调度过程中需要访问由操作系统和JVM共享的数据结构。应用程序、操作系统以及JVM都使用一组相同的CPU。在JVM和操作系统的代码中消耗的CPU时钟周期越多，应用程序的可用CPU时钟周期就越少，但上下文切换的开销并不只是包含JVM和操作系统的开销。当一个新的线程被切换进来时，它所需要的数据可能不在当前处理器的本地缓存中，因此上下文切换将导致一些缓存缺失，因而线程在首次调度运行时会更加缓慢。

当线程由于等待某个发生竞争的锁而被阻塞时，JVM通常会将这个线程挂起，并允许它被交换出去。如果线程频繁地发生阻塞，那么它们将无法使用完整的调度时间片。在程序中发生越多的阻塞(包括阻塞IO,等待获取发生竞争的锁，或者在条件变量上等待)与CPU密集型的程序就会发生越多的上下文切换，从而增加调度开销，并因此而降低吞吐量。

上下文切换是计算密集型操作。也就是说，它需要相当可观的处理器时间。所以上下文切换对系统来说意味着消耗大量的CPU时间，事实上可能是操作系统中时间消耗最大的操作。上下文切换的实际开销会随着平台的不同而变化，然而按照经验来看，在大多数通用的处理器中上下文切换的开销相当于50~10000个时钟周期，也就是几微秒。

UNIX系统的 vmstat命令能报告上下文切换次数以及在内核中执行时间所占比例等信息。如果内核占用率较高(超过10%),那么通常表示调度活动发生得很频繁，这很可能是由IO或竞争锁导致的阻塞引起的。

2.2 内存同步

同步操作的性能开销包括多个方面，在 synchronized和 volatile提供的可见性保证中可能会使用一些特殊指令,即内存栅栏( Memory Barrier)。内存栅栏可以刷新缓存，使缓存无效刷新硬件的写缓冲以及停止执行管道。内存栅栏可能同样会对性能带来间接的影响，因为它们将抑制一些编译器优化操作。在内存栅栏中大多数操作都是不能被重排序的。

2.3 阻塞

引起阻塞的原因：包括阻塞IO等待获取发生竞争的锁，或者在条件变量上等待等等。
阻塞会导致线程挂起【挂起：挂起进程在操作系统中可以定义为暂时被淘汰出内存的进程，机器的资源是有限的，在资源不足的情况下，操作系统对在内存中的程序进行合理的安排，其中有的进程被暂时调离出内存，当条件允许的时候，会被操作系统再次调回内存，重新进入等待被执行的状态即就绪态，系统在超过一定的时间没有任何动作】。
很明显这个操作至少包括两次额外的上下文切换，还有相关的操作系统级的操作等等。

3、线程安全的单例模式

3.1、双重检查锁定（比较老的方式，线程不安全）

原理：在getInstance()方法中，进行两次null检查。这样可以极大提升并发度，进而提升性能。

public class SingletonDoubleCheck {
   //TODO 注意如果不适用volatile 关键字无法保证线程安全
   private volatile static SingletonDoubleCheck sDoubleCheck;
   private SingletonDoubleCheck() {}
   public static SingletonDoubleCheck getInstance() {
      //第一次检查，不加锁
      if(sDoubleCheck == null) {
         System.out.println(Thread.currentThread()+" is null");
         synchronized(SingletonDoubleCheck.class) {
            //第二次检查，加锁情况下
            if(sDoubleCheck == null) {
                System.out.println(Thread.currentThread()+" is null");
                    //内存中分配空间  1
                    //空间初始化 2
                    //把这个空间的地址给我们的引用  3
               sDoubleCheck = new SingletonDoubleCheck();
            }
         }
      }
      return sDoubleCheck;
   }
}

解决办法，加volatile关键字。

3.2、静态内部类实现单例模式（无锁方式）

原理：通过一个静态内部类定义一个静态变量来持有当前类实例，在类加载时就创建好，使用时获取。
缺点：无法做到延迟创建对象，在类加载时进行创建会导致初始化时间变长。

public class LazySingleton {
   //TODO 通过private修饰，就是为了防止这个类被随意创建
   private LazySingleton(){}
   //TODO 利用虚拟机的类初始化机制创建单例
   private static class SingletonHolder {
      private static LazySingleton instance = new LazySingleton();
   }
   //TODO
   public static LazySingleton getInstance() {
      return SingletonHolder.instance;
   }
}

3.3、懒汉式：

原理：类延迟创建，在单例类的内部由一个私有静态内部类来持有这个单例类的实例，延迟占位模式还可以用在多线程下实例域的延迟赋值。
缺点：由于synchronized的存在，多线程时效率很低。

public class LazySingletonSynchronized {
   //TODO 通过private修饰，就是为了防止这个类被随意创建,只有内部自己可以创建
   private LazySingletonSynchronized(){
      System.out.println("LazySingleton is created!!");
   }
   // TODO 首先instance对象必须是private并且static，如果不是private那么instance的安全无法得到保证
   //TODO 其次因为工厂方法必须是static，因此变量instance也必须是static
   private static LazySingletonSynchronized instance = null;
   // TODO 为了防止对象被多次创建，使用synchronized关键字进行同步（缺点是并发环境下加锁，竞争激励的场合可能对性能产生一定影响）
   public static synchronized LazySingletonSynchronized getInstance() {
      if(instance == null) {
         instance = new LazySingletonSynchronized();
      }
      return instance;
   }
}

3.4、饿汉式：

原理：在声明的时候就new这个类的实例，因为在JVM中，对类的加载和类初始化，由虚拟机保证线程安全，每次要用时直接返回。
缺点：无法做到延迟创建对象，在类加载时进行创建会导致初始化时间变长。

public class SingletonSynchronized {
   //TODO 通过private修饰，就是为了防止这个类被随意创建,只有内部自己可以创建
   private SingletonSynchronized(){ }
   // TODO 首先instance对象必须是private并且static，如果不是private那么instance的安全无法得到保证
   //TODO 其次因为工厂方法必须是static，因此变量instance也必须是static
   private static SingletonSynchronized instance = new SingletonSynchronized();
   public static SingletonSynchronized getInstance() {
      return instance;
   }
}

注意：上述4种方式实现单例模式的缺点
1）反序列化对象时会破环单例
反序列化对象时不会调用getXX()方法，于是绕过了确保单例的逻辑，直接生成了一个新的对象，破环了单例。
解决办法是：重写类的反序列化方法，在反序列化方法中返回单例而不是创建一个新的对象。
//反序列时直接返回当前INSTANCE
private Object readResolve() {
return INSTANCE;
}
2）在代码中通过反射机制，直接调用类的私有构造函数创建新的对象，会破环单例
解决办法是：维护一个volatile的标志变量在第一次创建实例时置为false；重写构造函数，根据标志变量决定是否允许创建。
private static volatile boolean flag = true;
private Singleton(){
if(flag){
flag = false; //第一次创建时，改变标志
}else{
throw new RuntimeException(“The instance already exists ！”);
}

3.5、使用枚举

原理：定义枚举类型，里面只维护一个实例，以此保证单例。每次取用时都从枚举中取，而不会取到其他实例。

public enum SingletonEnum {
    INSTANCE;
    private String name;
    public String getName(){
        return name;
    }
    public void setName(String name){
        this.name = name;
    }
}

优点：
1）使用SingletonEnum.INSTANCE进行访问，无需再定义getInstance方法和调用该方法。
2）JVM对枚举实例的唯一性，避免了上面提到的反序列化和反射机制破环单例的情况出现：每一个枚举类型和定义的枚举变量在JVM中都是唯一的。　
原因：枚举类型在序列化时仅仅是将枚举对象的name属性输出到结果中，反序列化的时候则是通过java.lang.Enum的valueOf方法来根据名字查找枚举对象。
同时，编译器禁止重写枚举类型的writeObject、readObject、readObjectNoData、writeReplace和readResolve等方法。

4、如何减少锁的竞争

• 减少锁的粒度
  使用锁的时候，锁所保护的对象是多个，当这些多个对象其实是独立变化的时候，不如用多个锁来一一保护这些对象。但是如果有同时要持有多个锁的业务方法，要注意避免发生死锁
• 缩小锁的范围
  对锁的持有实现快进快出，尽量缩短持由锁的的时间。将一些与锁无关的代码移出锁的范围，特别是一些耗时，可能阻塞的操作
• 避免多余的锁：两次加锁之间的语句非常简单，导致加锁的时间比执行这些语句还长，这个时候应该进行锁粗化—扩大锁的范围。
• 锁分段，ConcurrrentHashMap就是典型的锁分段。
• 替换独占锁

在业务允许的情况下：

• 使用读写锁，
• 用自旋CAS
• 使用系统的并发容器