JAVA多線程線程安全性基礎

Posted on 2021-08-12 by WalkonNet

線程安全性

一個對象是否需要是線程安全的，取決於它是否被多個線程訪問，而不取決於對象要實現的功能

什麼是線程安全的代碼

核心：對共享的和可變的狀態的訪問進行管理。防止對數據發生不受控的並發訪問。

何為對象的狀態？

狀態是指存儲在對象的狀態變量（例如實例或靜態域）中的數據。還可能包括其他依賴對象的域。

eg：某個HashMap的狀態不僅存儲在HashMap對象本身，還存儲在許多Map.Entry對象中。

在這裡插入圖片描述

總而言之，在對象的狀態中包含瞭任何可能影響其外部可見行為的數據。

何為共享的？

共享的是指變量可同時被多個線程訪問

何為可變的？

可變的是指變量的值在其生命周期內可以發生變化。試想，如果一個共享變量的值在其生命周期內不會發生變化，那麼在多個

線程訪問它的時候，就不會出現數據不一致的現象，自然就不存在線程安全性問題瞭。

什麼是線程安全性

當多個線程訪問某個類時，不管運行時環境采用何種調度方式或者這些線程將如何交替執行，並且在主調代碼中不需要任何額外的同步或協同，這個類都能表現出正確的行為，達到預期的效果，那麼就稱這個類是線程安全的。

如下啟動10個線程，每個線程對inc執行1000次遞增，並添加一個計時線程，預期效果應為10000，而實際輸出值為6880，是一個小於10000的值，並未達到預期效果，因此INS類不是線程安全的，整個程序也不是線程安全的。原因是遞增操作不是原子操作，並且沒有適當的同步機制

package hgh0808;
public class Test {
    public static void main(String[] args){
        for(int i = 0;i < 10;i++){
            Thread th = new Thread(new CThread());
            th.start();
        }
        TimeThread tt = new TimeThread();
        tt.start();
        try{
            Thread.sleep(21000);
        }catch(Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(INS.inc);
    }
}
---------------------------------------------------------------------
package hgh0808;
import java.util.concurrent.atomic.*;
public class TimeThread extends Thread{
    @Override
    public void run(){
        int count = 1;
        for(int i = 0;i < 20;i++){
            try{
                Thread.sleep(1000);
            }catch(Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(count++);
        }
    }
}
---------------------------------------------------------------------
package hgh0808;
public class CThread implements Runnable{
    @Override
    public void run(){
        for(int j = 0;j < 1000;j++){
            INS.increase();
        }
    }
}
---------------------------------------------------------------------
package hgh0808;
public class INS{
    public static volatile int inc = 0;
    public static void increase(){
            inc++;
    }
}
=====================================================================

執行結果：
1
2
3
4
5
6
7
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20
6880

通過synchronized加鎖機制，對INS類實現同步，如下得到瞭正確的運行結果，很容易可以看出，主調代碼中並沒有任何額外的同步或協同，此時的INS類是線程安全的，整個程序也是線程安全的

package hgh0808;
public class INS{
    public static volatile int inc = 0;
    public static void increase(){
        synchronized (INS.class){
            inc++;
        }
    }
}

執行結果：
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
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18
19
20
10000

如何編寫線程安全的代碼
————————————————————————————————
如果當多個線程訪問同一個可變的狀態變量時沒有使用合適的同步，那麼程序就會出現錯誤，像上文中進行同步之前的代碼
有三種方式可以修復這個問題：
*不在線程之間共享該狀態變量
*將狀態變量修改為不可變的變量
*在訪問狀態變量時使用同步
前兩種方法是針對共享和不變這兩個屬性（見上文）解決問題，在有些情境下會違背程序設計的初衷（比如上文中INS類中的inc變量不可能不變，且在多核處理器的環境下為瞭提高程序性能，就需要多個線程同時處理，這樣變量就必然要被多個線程共享）。
基於此，我們針對第三種方式—— 在訪問狀態變量時使用同步展開討論
在討論第三種方式之前，我們先介紹幾個簡單的概念
原子性：一個操作序列的所有操作要麼不間斷地全部被執行，要麼一個也沒有執行
競態條件：當某個計算的正確性取決於多個線程的的交替執行時序時，就會發生競態條件。通俗的說，就是某個程序結果的正確性取決於運氣時，就會發生競態條件。（競態條件並不總是會產生錯誤，還需要某種不恰當的執行時序）
常見的競態條件類型：
*檢查–執行（例如延遲初始化）
*讀取–修改–寫入（例如自增++操作）
針對以上兩種常見的競態條件類型，我們分別給出例子

延遲初始化（檢查--執行）
--------------------------------------------------------------------
package hgh0808;
import java.util.ArrayList;
public class Test1 {
    public ArrayList<Ball> list;
    public ArrayList<Ball> getInstance(){
        if(list == null){
            list = new ArrayList<Ball>();
        }
        return list;
    }
}
class Ball{
}

大概邏輯是先判斷list是否為空，若為空，創建一個新的ArrayList對象，若不為空，則直接使用已存在的ArrayList對象，這樣可以保證在整個項目中list始終指向同一個對象。這在單線程環境中是完全沒有問題的，但是如果在多線程環境中，list還未實例化時，A線程和B線程同時執行if語句，A和B線程都會認為list為null，A和B線程都會執行實例化語句，造成混亂。

自增++操作（讀取--修改--寫入）
------------------------------------------------------------------------
參考上文中為改進之前的代碼（對INS類中inc的自增）

以上兩個例子告訴我們，必須添加適當的同步策略，保證復合操作的原子性，防止競態條件的出現

策略一：使用原子變量類,在java.util.concurrent.atomic包中包含瞭一些原子變量類

在這裡插入圖片描述

package hgh0808;
import java.util.concurrent.*;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;

public class INS{
    public static AtomicInteger inc = new AtomicInteger(0);
    public static void increase(){
        inc.incrementAndGet();
    }
}

執行結果：
1
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20
10000

值得註意的是，隻有一個狀態變量時，可以通過原子變量類實現線程安全。但是如果有多個狀態變量呢？

設想一個情景

多個線程不斷產生1到10000的隨機數並且發送到一個計算線程，計算線程每獲取一個數字n，就計算sinx在[0,n]上的積分並打印到控制臺上，為瞭提高程序性能，設計一個緩存機制，保存上次的數字n和積分結果（兩個狀態變量）。如果本次的數字和上次的數字相等，直接打印積分結果，避免重復計算。

看代碼：

package hgh0808;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class Calculate extends Thread{
    private final AtomicReference<Double> lastNumber  = new AtomicReference<Double>();  //緩存機制，原子變量類
    private final AtomicReference<Double> lastRes = new AtomicReference<Double>();      //緩存機制，原子變量類
    private static final double N = 100000;    //將區間[0,e]分成100000份，方便定積分運算
    public void service() throws Exception{
        getData();
        Thread.sleep(10000);   //等待MyQueue隊列中有一定數量的元素後，再開始從其中取元素
        while(true){
            Double e;
                if(!MyQueue.myIsEmpty()){
                     e = MyQueue.myRemove();
                }else{
                    return;
                }
            if(e.equals(lastNumber.get())){
                System.out.println(lastNumber.get()+" "+lastRes.get());
            }else{
                Double temp = integral(e);
                lastNumber.set(e);
                lastRes.set(temp);
                System.out.println(e+" "+temp);
            }
            Thread.sleep(2000);
        }
    }
    public void getData(){   //創建並啟動四個獲取隨機數的線程，這四個線程交替向MyQueue隊列中添加元素
        Thread1 th1 = new Thread1();
        Thread2 th2 = new Thread2();
        Thread3 th3 = new Thread3();
        Thread4 th4 = new Thread4();
        th1.start();
        th2.start();
        th3.start();
        th4.start();
    }
    public Double integral(double e){    //計算定積分
        double step = (e-0)/N;
        double left = 0,right = step;
        double sum = 0;
        while(right <= e){
            double mid = left+(right-left)/2;
            sum+=Math.sin(mid);
            left+=step;
            right+=step;
        }
        sum*=step;
        return sum;
    }
}
---------------------------------------------------------------------
package hgh0808;
import java.util.LinkedList;
public class MyQueue {      //由於LinkedList是線程不安全的，因此需要將其改寫為線程安全類
    private static LinkedList<Double> queue = new LinkedList<>();
    synchronized public static void myAdd(Double e){
        queue.addLast(e);
    }
    synchronized public static void myClear(){
        queue.clear();
    }
    synchronized public static int mySize(){
        return queue.size();
    }
    synchronized public static boolean myIsEmpty(){
        return queue.isEmpty();
    }
    synchronized public static double myRemove(){
        return queue.removeFirst();
    }
}
-----------------------------------------------------------------------
package hgh0808;
import java.util.Random;
public class Thread1 extends Thread{
    private double data;
    @Override
    public void run(){
        while(true){
            Random random = new Random();
            data = (double) (random.nextInt(10000)+1);
            if(MyQueue.mySize() > 10000){     //由於從隊列中取元素的速度低於四個線程向隊列中加元素的速度，因此隊列的長度是趨於擴張的，當達到一定程度時，清空隊列
                MyQueue.myClear();
            }
            MyQueue.myAdd(data);
            try {
                Thread.sleep(1000);
            }catch(Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
------------------------------------------------------------------------
package hgh0808;
import java.util.Random;
public class Thread2 extends Thread{
    private double data;
    @Override
    public void run(){
        while(true){
            Random random = new Random();
            data = (double) (random.nextInt(10000)+1);
            if(MyQueue.mySize() > 10000){
                MyQueue.myClear();
            }
            MyQueue.myAdd(data);
            try {
                Thread.sleep(1000);
            }catch(Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
-----------------------------------------------------------------------
package hgh0808;
import java.util.Random;
public class Thread3 extends Thread{
    private double data;
    @Override
    public void run(){
        while(true){
            Random random = new Random();
            data = (double) (random.nextInt(10000)+1);
            if(MyQueue.mySize() > 10000){
                MyQueue.myClear();
            }
            MyQueue.myAdd(data);
            try {
                Thread.sleep(1000);
            }catch(Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
------------------------------------------------------------------------
package hgh0808;
import java.util.Random;
public class Thread4 extends Thread{
    private double data;
    @Override
    public void run(){
        while(true){
            Random random = new Random();
            data = (double) (random.nextInt(10000)+1);
            if(MyQueue.mySize() > 10000){
                MyQueue.myClear();
            }
            MyQueue.myAdd(data);
            try {
                Thread.sleep(1000);
            }catch(Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

隻看Calculate線程，不看其他線程和MyQueue中的鎖機制，本問題的焦點在於Calculate線程中對多個狀態變量的同步策略

存在問題：

盡管對lastNumber和lastRes的set方法的每次調用都是原子的，但仍然無法同時更新lastNumber和lastRes；如果隻修改瞭其中一個變量，那麼在這兩次修改操作之間，其它線程將發現不變性條件被破壞瞭。換句話說，就是沒有足夠的原子性

**當在不變性條件中涉及多個變量時，各個變量間並不是彼此獨立的，而是某個變量的值會對其它變量的值產生約束。因此當更新某一個變量時，需要在同一個原子操作中對其他變量同時進行更新。

改進 ================>加鎖機制內置鎖 synchronized

之所以每個對象都有一個內置鎖，隻是為瞭免去顯式地創建鎖對象

synchronized修飾方法就是橫跨整個方法體的同步代碼塊

非靜態方法的鎖—–方法調用所在的對象

靜態方法的鎖—–方法所在類的class對象

public class Calculate extends Thread{
    private final AtomicReference<Double> lastNumber  = new AtomicReference<Double>();  //緩存機制，原子變量類
    private final AtomicReference<Double> lastRes = new AtomicReference<Double>();      //緩存機制，原子變量類
    private static final double N = 100000;    //將區間[0,e]分成100000份，方便定積分運算
    public void service() throws Exception{
        getData();
        Thread.sleep(10000);   //等待MyQueue隊列中有一定數量的元素後，再開始從其中取元素
        while(true){
            Double e;
            synchronized (this){    //檢查--執行 使用synchronized同步，防止出現競態條件
                if(!MyQueue.myIsEmpty()){
                     e = MyQueue.myRemove();
                }else{
                    return;
                }
            }
            if(e.equals(lastNumber.get())){
                System.out.println(lastNumber.get()+" "+lastRes.get());
            }else{
                Double temp = integral(e);
                synchronized (this) {     //兩個狀態變量在同一個原子操作中更新
                    lastNumber.set(e);
                    lastRes.set(temp);
                }
                System.out.println(e+" "+temp);
            }
            Thread.sleep(2000);
        }
    }
    public void getData(){   //創建並啟動四個獲取隨機數的線程，這四個線程交替向MyQueue隊列中添加元素
        Thread1 th1 = new Thread1();
        Thread2 th2 = new Thread2();
        Thread3 th3 = new Thread3();
        Thread4 th4 = new Thread4();
        th1.start();
        th2.start();
        th3.start();
        th4.start();
    }
    public Double integral(double e){    //計算定積分
        double step = (e-0)/N;
        double left = 0,right = step;
        double sum = 0;
        while(right <= e){
            double mid = left+(right-left)/2;
            sum+=Math.sin(mid);
            left+=step;
            right+=step;
        }
        sum*=step;
        return sum;
    }
}

對於包含多個變量的不變性條件中，其中涉及的所有變量都需要由同一個鎖來保護

synchronized (this) {     //兩個狀態變量在同一個原子操作中更新
                    lastNumber.set(e);
                    lastRes.set(temp);
                }

鎖的重入

如果某個線程試圖獲得一個已經由它自己持有的鎖，那麼這個請求就會成功，“重入”意味著獲取鎖的操作的粒度是‘線程’，而不是‘調用’。

重入的一種實現方式：

為每個鎖關聯一個獲取計數值和一個所有者線程。當計數值為0時，這個鎖就被認為是沒有被任何線程持有。當線程請求一個未被持有的鎖時，JVM將記下鎖的持有者，並且將獲取計數值置為1。如果同一個線程再次獲取這個鎖，計數值將遞增，當線程退出同步代碼塊時，計數器會相應地遞減。當計數值為0時，這個鎖將被釋放。

如果內置鎖不可重入，那麼以下這段代碼將發生死鎖(每個doSomething方法在執行前都會獲取Father上的內置鎖)
----------------------------------------------------------------------
public class Father{
  public synchronized void doSomething(){
  }
}

public class Son extends Father{
   @Override
   public synchronized void doSomething(){
       System.out.println("重寫");
       super.doSomething();
   }
}

線程安全性與性能和活躍性之間的平衡

活躍性：是否會發生死鎖饑餓等現象
性能：線程的並發度
不良並發的應用程序：可同時調用的線程數量，不僅受到可用處理資源的限制，還受到應用程序本身結構的限制。幸運的是，通過縮小同步代碼塊的作用范圍，可以平衡這個問題。
縮小作用范圍的原則====>當執行時間較長的計算或者可能無法快速完成的操作時，一定不能持有鎖！！！

總結

本篇文章就到這裡瞭，希望能給你帶來幫助，也希望您能夠多多關註WalkonNet的更多內容！

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