java并发编程线程安全性

谁践踏了优雅 2022-10-12 05:53 230阅读 0赞

# 2.线程安全性 #

如果当多个线程访问同一个可变的状态变量时没有使用合适的同步，那么程序就会出现错误，有三种方式可以修复这个问题：

1.  不在线程之间共享该状态变量
2.  将状态变量修改为不可变的变量
3.  在访问状态变量时使用同步

## 2.1什么是线程安全性 ##

> 正确性的含义是，某个类的行为与其规范完全一致。在良好的规范中通常会定义各种不变性条件（Invariant）来约束对象的状态，以及定义各种后验条件（Postcondition）来描述对象操作的结果。

> 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，并且在主调代码中不需要任何额外的同步或协同，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。

无状态对象一定是线程安全的。  
无状态对象：

1.  不包含任何域，也不包含任何对其他类中域的引用
2.  访问类的线程不会影响另一个访问同一个类的线程的计算结果。
3.  线程间没有共享状态

## 2.2原子性 ##

#### 2.2.1竞态条件 ####

当某个计算的正确性取决于多个线程的交替执行时序时，就会发生竞态条件。  
最常见的竞态条件类型就是先检查后执行（check-then-act）操作，即通过一个可能失效的观测结果来决定下一步的动作。

#### 2.2.2 竞态条件的示例：延迟初始化 ####

使用“先检查后执行”的一种常见情况就是延迟初始化。延迟初始化的目的是将对象的初始化操作推迟到实际被使用时才进行，同时要确保只被初始化一次。  
竞态条件并不总是会产生错误，还需要某种不恰当的执行时序。

#### 2.2.3 复合操作 ####

假定有两个操作A和B，如果从执行A的线程来看，当另一个线程执行B时，要么将B全部执行完，要么完全不执行B，那么A和B对彼此来说是原子的。原子操作是指，对于访问同一个状态的所有操作（包括该操作本身）来说，这个操作是一个以原子方式执行的操作。  
复合操作：包含了一组必须以原子方式执行的操作以确保线程安全性。  
在实际情况中，应尽可能地使用现有的线程安全对象来管理类的状态。与非线程安全的对象相比，判断线程安全对象的可能状态及其状态及其转台转换情况要更为容易，从而也更容易维护和验证线程安全性；

## 2.3 加锁机制 ##

要保持状态的一致性，就需要在单个原子操作中更新所有相关的状态变量。

#### 2.3.1内置锁 ####

> java提供了一种内置的锁机制来支持原子性：同步代码块（Synchronized Block）；  
> **同步代码块**包括两部分：一个作为锁的对象引用，一个作为由这个锁保护的代码块。用synchronized来修饰。

> 每个Java对象都可以用作一个实现同步的锁，这些锁被称为内置锁或监视器锁（Monitor lock）。线程在进入同步代码块之前会自动获得锁，并且在退出同步代码块时自动释放锁，而无论是通过正常的控制路径退出，还是通过从代码块中抛出异常退出。获得内置锁的唯一路径就是进入由这个锁保护的同步代码块或方法。

> java 的内置锁相当于一种互斥锁，这意味着最多只有一个线程能持有这种锁。当线程A尝试获取一个由线程B持有的锁时，线程A必须等待或者阻塞，直到线程B释放这个锁。如果B永远不释放锁，那么A也将永远的等待。  
> 并发环境中的原子性与事务应用程序中的原子性有着相同的含义：一组语句作为一个不可分割的单元被执行。

#### 2.3.2 重入 ####

当某个线程请求一个由其他线程持有的锁时，发出请求的线程就会阻塞。然而，由于内置锁是可重入的，因此如果某个线程试图获得一个已经由它自己持有的锁，那么这个请求就会成功。重入意味着获取锁的操作的粒度是线程，而不是调用。

> 重入的一种实现方法是，为每一个锁关联一个获取计数值和一个所有者线程，JVM将记下锁的持有者，并且将获取计数值置为1，如果同一个线程再次获取这个锁，计数值将递增，而当线程退出同步代码块时，计数器就会相应的递减。当计数值为0时，这个锁将被释放。

重入避免了死锁情况的发生。

## 2.4 用锁来保护状态 ##

由于锁能使其保护的代码执行以串行形式来访问，因此可以通过锁来构造一些协议以实现对共享状态的独占访问。只要始终遵循这些协议，就能确保状态的一致性。

对于可能被多个线程同时访问的可变状态变量，在访问它时都需要持有同一个锁，在这种情况下，我们称状态变量是由这个锁保护的。

每个共享的和可变的变量都应该只由一个锁来保护，从而使维护人员知道是哪一个锁。

## 2.5 活跃性与性能 ##

> 不良并发应用程序：可同时调用的数量，不仅受到可用处理资源的限制，还受到应用程序本身结构的限制。

> 解决方式：通过缩小同步代码块的作用范围，我们很容易做到即确保servlet的并发性，同时又维护线程安全性。要确保同步代码块不要过小，并且不要将本应是原子的操作拆分到多个同步代码块中。应该尽量将不影响共享状态且执行时间较长的操作从同步代码块中分离出去，从而在这些操作的执行过程中，其他线程可以访问共享状态。

> 通常，在简单性与性能之间存在着相互制约因素。当实现某个同步策略时，一定不要盲目的为了性能而牺牲简单性，这可能会破坏安全性。

当使用锁时，你应该清楚代码块中实现的功能，以及在执行该代码块时是否需要很长的时间，无论是执行计算密集的操作，还是在执行某个可能阻塞的操作，如果持有锁的时间过长，那么都会带来活跃性或性能问题。  
当执行时间较长的计算或者可能无法快速完成的操作时，一定不要持有锁。