[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。