Java并發(fā)編程之線程安全性怎么實(shí)現(xiàn)

今天小編給大家分享一下Java并發(fā)編程之線程安全性怎么實(shí)現(xiàn)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，內(nèi)容詳細(xì)，邏輯清晰，相信大部分人都還太了解這方面的知識(shí)，所以分享這篇文章給大家參考一下，希望大家閱讀完這篇文章后有所收獲，下面我們一起來(lái)了解一下吧。

1.什么是線程安全性

當(dāng)多個(gè)線程訪問(wèn)某個(gè)類時(shí)，不管運(yùn)行時(shí)環(huán)境采用何種調(diào)用方式或者這些線程將如何交替執(zhí)行，并且在主調(diào)代碼中不需要任何額外的同步或協(xié)同，這個(gè)類都能表現(xiàn)出正確的行為，那么就稱這個(gè)類是線程安全的。

無(wú)狀態(tài)的對(duì)象一定是線程安全的，比如：Servlet。

2.原子性

2.1 競(jìng)爭(zhēng)條件

由于不恰當(dāng)?shù)膱?zhí)行時(shí)序而出現(xiàn)不正確的結(jié)果的情況，就是競(jìng)爭(zhēng)條件。

“先檢查后執(zhí)行”操作，即通過(guò)一個(gè)可能實(shí)效的觀測(cè)結(jié)果來(lái)決定下一步的動(dòng)作。比如：延遲初始化。

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

“讀取-修改-寫入”的操作，其結(jié)果狀態(tài)依賴于之前的狀態(tài)。如：遞增運(yùn)算。

long count = 0;
count++;

2.2 復(fù)合操作

原子操作是指，對(duì)于訪問(wèn)同一個(gè)狀態(tài)的所有操作（包括此操作本身）來(lái)說(shuō)，這個(gè)操作是以一個(gè)原子方式執(zhí)行（不可分割）的操作。

為了確保線程安全性，包含了一組必須以原子方式執(zhí)行的操作，稱為復(fù)合操作。

遞增運(yùn)算可以使用一個(gè)現(xiàn)有的線程安全類，確保線程安全性。如：

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

3.加鎖機(jī)制

當(dāng)類只有一個(gè)狀態(tài)變量時(shí)，可以通過(guò)線程安全的狀態(tài)變量來(lái)維護(hù)類的線程安全性。但如果類有更多的狀態(tài)時(shí)，就不能只添加更多線程安全的狀態(tài)變量了。要保持狀態(tài)的一致性，就需要在單個(gè)原子操作中更新所以相關(guān)的狀態(tài)變量。

3.1 內(nèi)置鎖

Java提供一種內(nèi)置鎖：同步代碼塊，它包括：一個(gè)作為鎖的對(duì)象引用、一個(gè)作為由這個(gè)鎖保護(hù)的代碼塊。

以關(guān)鍵字synchronized來(lái)修飾的方法就是一種橫跨整個(gè)方法體的同步代碼塊，其中該同步代碼塊的鎖就是方法調(diào)用所在的對(duì)象。靜態(tài)的synchronized方法以Class對(duì)象作為鎖。

線程在進(jìn)入同步代碼塊之前會(huì)自動(dòng)獲得鎖，在退出同步代碼塊是自動(dòng)釋放鎖。最多只有一個(gè)線程能持有這種鎖，因此同步代碼會(huì)以原子方式執(zhí)行。

3.2 重入

內(nèi)置鎖是可重入的，意味著獲取鎖的操作的粒度是線程，不是調(diào)用。當(dāng)某個(gè)線程試圖獲得一個(gè)已經(jīng)由它自己持有的鎖時(shí)，這個(gè)請(qǐng)求也會(huì)成功。

重入進(jìn)一步提升了加鎖行為的封裝性，簡(jiǎn)化了面向?qū)ο蟛l(fā)代碼的開(kāi)發(fā)。

public class Widget {
    public synchronized void doSomething() {
        //......
    }
}
public class LoggingWidget extends Widget {
    public synchronized void doSomething() {
        //......
        super.doSomething();//假如沒(méi)有可重入的鎖，該語(yǔ)句將產(chǎn)生死鎖。
    }
}

4.用鎖保護(hù)狀態(tài)

對(duì)于可能被多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)的可變狀態(tài)變量，在訪問(wèn)它時(shí)都需要持有同一個(gè)鎖，在這種情況下，稱狀態(tài)變量是由這個(gè)鎖保護(hù)的。

5.活躍性與性能

粗粒度地使用鎖，雖然確保了線程安全性，但可能造成性能問(wèn)題和活躍度問(wèn)題，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);//因數(shù)分解計(jì)算
            lastNumber = i;
            lastFactors = factors;//存放上一次計(jì)算結(jié)果
            encodeIntoResponse(resp, factors);
        }
    }
}

可以通過(guò)縮小同步代碼塊，既確保servlet的并發(fā)型，又維護(hù)線程安全性。不要把本應(yīng)是原子操作拆分到多個(gè)同步代碼塊中，盡量將不影響共享狀態(tài)且執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)的操作從同步代碼中分離出來(lái)。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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