再谈线程安全

系统管理员 2022-09-05 05:22 159阅读 0赞

## 线程安全 ##

“线程安全”不是指线程的安全，而是指内存的安全。为什么如此说呢？这和操作系统有关。

目前主流操作系统都是多任务的，即多个进程同时运行。**为了保证安全，每个进程只能访问分配给自己的内存空间，而不能访问别的进程的，这是由操作系统保障的**。在每个进程的内存空间中都会有一块特殊的公共区域，通常称为堆（内存）。进程内的所有线程都可以访问到该区域，这就是造成问题的潜在原因。

假设某个线程把数据处理到一半，觉得很累，就去休息了一会，回来准备接着处理，却发现数据已经被修改了，不是自己离开时的样子了。可能被其它线程修改了。

比如把你住的小区看作一个进程，小区里的道路/绿化等就属于公共区域。你拿1万块钱往地上一扔，就回家睡觉去了。睡醒后你打算去把它捡回来，发现钱已经不见了。可能被别人拿走了。因为公共区域人来人往，你放的东西在没有看管措施时，一定是不安全的。内存中的情况亦然如此。

所以**线程安全指的是，在堆内存中的数据由于可以被任何线程访问到，在没有限制的情况下存在被意外修改的风险**。即堆内存空间在没有保护机制的情况下，对多线程来说是不安全的地方，因为你放进去的数据，可能被别的线程“破坏”。

那我们该怎么办呢？解决问题的过程其实就是一个取舍的过程，不同的解决方案有不同的侧重点。主要有5种解决方法。

1.  私有的东西就不要放公共区域（堆），放在自己的私有区域（栈上的局部变量），局部变量缺点是只能在方法内用，不能被多个方法共用。
2.  每个线程都copy一份公共的堆内存的数据，此后，各线程只处理自己的拷贝——ThreadLocal类。ThreadLocal数据是属于Thread类的成员变量（非局部变量，存储在公共堆空间），每个线程都有1份各玩各的。经常听到的“线程本地”，是从逻辑从属关系上来讲的，这些数据和线程一一对应，仿佛成了线程自己“领地”的东西了。其实从数据所在“位置”的角度来讲，它们都位于公共的堆内存中，只不过被线程认领了而已。
3.  公共堆内存中可以放只读数据（用final修饰）。
4.  互斥锁保证公共资源被有序访问（Synchronized、ReentrantLock等）。
5.  锁的获取与释放有代价，并发量不大时要乐观一些，用CAS（线程越多数据不安全的概率越大，线程越少数据不安全的概率就越小）。

CAS体现了乐观锁的思想，悲观锁对应的实现是Synchronized和ReentrantLock。

### ThreadLocal的作用是什么，用在什么场景 ###

ThreadLocal的作用是做数据隔离，填充的数据只属于当前线程，对其他线程隔离，防止本线程的数据被其他线线程篡改。Spring实现事务隔离级别的源码，采用了ThreadLocal来实现保证单个线程中对数据库操作使用的是同一个数据库连接，同时采用这种方式使业务层使用事务时不需要感知并管理Connection对象。通过传播级别巧妙地管理多个事务配置之间的切换、挂起和恢复。代码主要在TransactionSynchronizationManager类里面。

物流实操系统中一个线程经常要横跨若干个处理单元，要在各自处理单元间传递对象，也就是上下文Context，通常是物流单据信息等，用ThreadLocal实现这个Context防止频繁查询数据库。

### CAS是怎么实现线程安全的 ###

从思想上来说， synchronized属于悲观锁，悲观的认为程序中的并发情况严重，所以严防死守，CAS属于乐观锁，乐观地认为程序中的并发情况不那么严重，所以让线程不断去重试更新。在java中，除了Atomic系列类，以及Lock系列类的底层实现，甚至在java1.6以上的版本，synchronized在变为重量级锁之前，也会采用CAS机制。

CAS是Compare and Swap，比较并交换。维护三个变量值，一个是内存值V，一个是期望的旧的值A，一个是要更新的值B。更新一个变量的时候，只有当预期值A与内存V中的值相等的时候，才会执行更新操作，把内存V的值改为B。线程在读取数据时不进行加锁，在准备写回数据时，先去查询原值，操作的时候比较原值是否修改，若未被其他线程修改则写回，若已被修改，则重新执行读取流程并比较。其中，比较 + 更新整体是一个原子操作。

CAS在Java中的体现是sun.misc.Unsafe类中的各个方法。 调用Unsafe类中的CAS方法，JVM会帮我们实现出CAS汇编指令。这是一种完全依赖于硬件的功能，通过它实现原子操作。因为原语的执行必须是连续的，在执行过程中，不允许被中断，也就是说CAS是一条CPU的原子指令，不会造成数据不一致问题。

缺点：ABA问题；循环（CPU自旋）时间长开销大；只能保证一个共享变量的原子操作

### 什么是AQS ###

AQS全称是AbstractQueuedSynchronizer，是一个用来构建锁和同步器的框架，它维护了一个状态volatile int state(作为共享资源) 和一个FIFO等待队列，底层利用了CAS机制来保证操作的原子性。state用关键字volatile修饰，代表着该共享资源的状态一更改就能被所有线程可见，而AQS的加锁方式本质上就是多个线程在竞争state。AQS实现锁的主要原理如下：

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以实现独占锁为例（即当前资源只能被一个线程占有），其实现原理如下：state初始化0，在多线程条件下，线程要执行临界区的代码，必须首先获取state，某个线程获取成功之后， state加1，其他线程再获取的话由于共享资源已被占用，所以会到FIFO等待队列去等待，等占有 state的线程执行完临界区的代码释放资源(state减1，减到0)后，会唤醒 FIFO中的下一个等待线程（head 中的下一个结点）去获取state。

state由于是多线程共享变量，所以必须定义成volatile，以保证state在多线程场景下的可见性, 同时虽然volatile能保证可见性，但不能保证原子性，所以AQS提供了对state的原子操作方法，即用CAS机制来更新state的值，保证了线程安全。

另外AQS中实现的FIFO队列（CLH 队列）其实是双向链表实现的，有head、tail节点分别指向链表的头与尾节点，head结点代表当前占用的线程，其他节点由于暂时获取不到锁所以依次排队等待锁释放，新节点入队时放入链表尾部，tail指针指向新队尾的操作同样也是用CAS来实现的，保证原子性。

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