race condition - Java Concurrency In Practice C02

关于“竞态条件”的理解详见http://en.wikipedia.org/wiki/Race_condition

 

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[本文是我对Java Concurrency In Practice第二章的归纳和总结,  转载请注明作者和出处,  如有谬误, 欢迎在评论中指正. ]

 

多线程环境下，无需调用方进行任何同步处理也能保证正确性的类是线程安全的类

 

无状态的对象是线程安全的。无状态是指没有成员变量。由于方法的局部变量都是在线程私有的栈中分配的，因此在一个线程中调用无状态对象的方法，不会影响到其他线程。

 

race condition: 正确性依赖于事件发生的相对时间。

 

check-and-act是race condition中的一种，指的是基于check的结果进行操作。由于check和act并非是原子的，进行act时check的结果可能已经无效，那么基于check所进行的act就可能带来问题。

 

见如下的lazy单例类：

 

 

 

public class LazyInitRace {
    private static ExpensiveObject instance = null;
    public static ExpensiveObject getInstance() {
        // if语句是一个check-and-act操作
        if (instance == null) {
            instance = new ExpensiveObject();
        }
        return instance;
    }
}

 这是一个check-and-act的典型例子：首先判断instance是否为null，如果是就创建ExpensiveObject对象，否则直接 返回instance。但是判断和创建并非原子操作，假设线程1判断出instance为null，要是另一个线程紧接着创建了 ExpensiveObject对象，那么线程1的判断就失效了，基于判断结果所进行的创建操作就会导致程序中存在多个ExpensiveObject对 象--这违背了单例模式的初衷。

 

 

Read‐modify‐write也是race condition中的一种，指的是读取某个变量的值，修改后写回。这显然不是一个原子操作，如果B线程在A线程read之后write之前修改了变量的 值，那么A线程read的结果就失效了，基于read所做的modify就可能带来问题。

 

见如下的servlet：

 

 

 

public class CountingFactorizer implements Servlet {
    private final long count = 0;
    public void service(ServletRequest req, ServletResponse resp) {
        BigInteger i = extractFromRequest(req);
        BigInteger[] factors = factor(i);
        // // 自增语句是一个Read‐modify‐write操作
        count++;
        encodeIntoResponse(resp, factors);
    }
}

 

使用java提供的同步机制，将check-and-act或者Read‐modify‐write转换为原子操作，则可以避免race condition造成的错误。

 

使用同步机制改进LazyInitRace和CountingFactorizer类，使之成为线程安全的类：

 

 

 

public class LazyInitRace {
    private static ExpensiveObject instance = null;

    public static ExpensiveObject getInstance() {
        // 使用synchronized将check-and-act操作转换为原子操作
        if (instance == null) {
            synchronized (LazyInitRace.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new ExpensiveObject();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

public class CountingFactorizer implements Servlet {
    private final AtomicLong count = new AtomicLong(0);
    public void service(ServletRequest req, ServletResponse resp) {
        BigInteger i = extractFromRequest(req);
        BigInteger[] factors = factor(i);
        // 使用long对应的原子类AtomicLong，将Read‐modify‐write操作转换为原子操作
        count.incrementAndGet();
        encodeIntoResponse(resp, factors);
    }
}

 

对于只有一个成员变量的对象，成员的状态就是对象的状态。如果涉及到该成员的操作都是原子的，那么该类就是一个线程安全的类。比如以上的 LazyInitRace类，其只有一个成员变量instance，且涉及instance的操作是原子的，因此LazyInitRace类是一个线程安 全的类。

 

是否可以类推出，只要类的每一个成员变量的操作都是原子的，类就是线程安全的？不行。

 

因为每一个成员的操作都是原子的，不能保证所有涉及到成员的操作整体上是原子的。例如：

 

 

 

public class UnsafeCachingFactorizer implements Servlet {
    private final AtomicReference<BigInteger> lastNumber = new AtomicReference<BigInteger>();
    private final AtomicReference<BigInteger[]> lastFactors = new AtomicReference<BigInteger[]>();
    public void service(ServletRequest req, ServletResponse resp) {
        BigInteger i = extractFromRequest(req);
        // 优先使用缓存
        if (i.equals(lastNumber.get()))
            encodeIntoResponse(resp, lastFactors.get() );
        else {
            BigInteger[] factors = factor(i);
            // 将最后一次的计算结果缓存起来
            lastNumber.set(i);
            lastFactors.set(factors);
            encodeIntoResponse(resp, factors);
        }
    }
}

 UnsafeCachingFactorizer类的2个成员lastNumber和lastFactors的set()和get()方法是原子的，但 是该类不是线程安全的。因为从整体上看，2次写入和2次读取都不是同时进行的，UnsafeCachingFactorizer类仍然存在race condition.

 

 

java的synchronized机制使用的锁是可重入锁，即同一个线程可以多次申请持有同一把锁而不会引起死锁。假设A线程持有lock，那么 如果B线程申请lock锁，B线程就会被阻塞。但是如果A线程再次申请已经持有的lock锁，该申请将获得通过，这就是所谓的同一线程可多次获取同一把 锁。作为锁的对象，不仅需要标识锁的所有者，也需要标识所有者持有的计数。如果所有者线程刚刚申请到锁，则计数器的值为1，每重新获取一次，计数器的值加 1，每退出一个同步代码块，计数器的值减1. 当计数器的值减为0时，所有者线程才释放锁。可重入锁的设计是为了防止因申请已持有的锁而造成死锁，例如：

 

 

 

public class Widget {
    public synchronized void doSomething() {
        ...
    }
}
public class LoggingWidget extends Widget {
    public synchronized void doSomething() {
        System.out.println(toString() + ": calling doSomething");
        super.doSomething();
    }
}

 如果java中的锁不是可重入的，那么调用LoggingWidget对象的doSomething方法就会导致死锁。