Java并发编程之线程安全性

1.什么是线程安全性

当多个线程访问某个类时，不管运行时环境采用何种调用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。

无状态的对象一定是线程安全的，比如：Servlet。

2.原子性

2.1 竞争条件

由于不恰当的执行时序而出现不正确的结果的情况，就是竞争条件。

“先检查后执行”操作，即通过一个可能实效的观测结果来决定下一步的动作。比如：延迟初始化。

if(instance == null) {
    instance = new SomeObject();
}

“读取-修改-写入”的操作，其结果状态依赖于之前的状态。如：递增运算。

long count = 0;
count++;

2.2 复合操作

原子操作是指，对于访问同一个状态的所有操作（包括此操作本身）来说，这个操作是以一个原子方式执行（不可分割）的操作。

为了确保线程安全性，包含了一组必须以原子方式执行的操作，称为复合操作。

递增运算可以使用一个现有的线程安全类，确保线程安全性。如：

AtomicLong count = new AtomicLong(0);
count.incrementAndGet();

3.加锁机制

当类只有一个状态变量时，可以通过线程安全的状态变量来维护类的线程安全性。但如果类有更多的状态时，就不能只添加更多线程安全的状态变量了。要保持状态的一致性，就需要在单个原子操作中更新所以相关的状态变量。

3.1 内置锁

Java提供一种内置锁：同步代码块，它包括：一个作为锁的对象引用、一个作为由这个锁保护的代码块。

以关键字synchronized来修饰的方法就是一种横跨整个方法体的同步代码块，其中该同步代码块的锁就是方法调用所在的对象。静态的synchronized方法以Class对象作为锁。

线程在进入同步代码块之前会自动获得锁，在退出同步代码块是自动释放锁。最多只有一个线程能持有这种锁，因此同步代码会以原子方式执行。

3.2 重入

内置锁是可重入的，意味着获取锁的操作的粒度是线程，不是调用。当某个线程试图获得一个已经由它自己持有的锁时，这个请求也会成功。

重入进一步提升了加锁行为的封装性，简化了面向对象并发代码的开发。

public class Widget {
    public synchronized void doSomething() {
        //......
    }
}
public class LoggingWidget extends Widget {
    public synchronized void doSomething() {
        //......
        super.doSomething();//假如没有可重入的锁，该语句将产生死锁。
    }
}

4.用锁保护状态

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，称状态变量是由这个锁保护的。

5.活跃性与性能

粗粒度地使用锁，虽然确保了线程安全性，但可能造成性能问题和活跃度问题，如：

@ThreadSafe
public class SynchronizedFactorizer implements Servlet {
    @GuardedBy("this") private BigInteger lastNumber;
    @GuardedBy("this") private BigInteger[] lastFactors;

    public synchronized void service(ServletRequest req,
                                     ServletResponse resp) {
        BigInteger i = extractFromRequest(req);
        if (i.equals(lastNumber))
            encodeIntoResponse(resp, lastFactors);
        else {
            BigInteger[] factors = factor(i);//因数分解计算
            lastNumber = i;
            lastFactors = factors;//存放上一次计算结果
            encodeIntoResponse(resp, factors);
        }
    }
}

可以通过缩小同步代码块，既确保servlet的并发型，又维护线程安全性。不要把本应是原子操作拆分到多个同步代码块中，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中分离出来。如：

public class CachedFactorizer implements Servlet {
    @GuardedBy("this") private BigInteger lastNumber;
    @GuardedBy("this") private BigInteger[] lastFactors;

    public void service(ServletRequest req, ServletResponse resp) {
        BigInteger i = extractFromRequest(req); 
        BigInteger[] factors = null;      
        synchronized (this) {
            if (i.equals(lastNumber)) {
               factors = lastFactors.clone();
            }         
        }    
        if (factors == null) {        
            factors = factor(i);
            synchronized (this) {
               lastNumber = i;
               lastFactors = factors.clone();
            }
        }
        encodeIntoResponse(resp, factors);
    }
}

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