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[Java]重学Java-如何保证线程安全

2022-06-30  本文已影响0人  AbstractCulture

保证线程安全的三大特性

由于CPU是多线程切换执行的，那么对于操作的程序，我们需要保证3个特性:

原子性

原子（atomic）本意是“不能被进一步分割的最小粒子”，而原子操作（atomic operation）意
为“不可被中断的一个或一系列操作”。 -《并发编程的艺术》

提供了互斥访问,同一时刻只能有一个线程对它进行操作。

在Java中提供了原子类(Atomic)来保证原子性，但是我们平时使用的i++这种，其实不是原子性的，在JVM编译后的文件中，分为了几步去执行i++.

  void f1() { i++; }

  void f1();
    Code:
       0: aload_0
       1: dup
       2: getfield      #2 // Field
i:I
       5: iconst_1
       6: iadd
       7: putfield      #2 // Field
i:I
      10: return

Java通过CAS和同步锁来实现原子性

可见性

可见性指的是，多个线程同时访问同一个共享资源，可以感知到该资源被别的线程修改的动作.
我们还是以i++的操作来说这个问题:

i++

如果不加任何的同步策略，此时做i++，就会产生线程不安全的现象.

Java中使用volatile可以保证可见性，除此之外它还能禁止指令重排序，但是注意，i++本身并不是原子性的。

有序性

Java内存模型允许编译器和处理器对指令重排序以提高运行性能，在多线程环境下，可能会产生线程不安全的问题。

编译器不会对volatile读与volatile读后面的任意内存操作重排序

CAS

CAS全称为Compare And Swap,它跟常规的同步锁synchronized不同,它是非阻塞原子性的操作，简单的理解为CPU自旋即可，原理比较复杂，这里推荐一个好文章，有想深入的小伙伴可以看看:

Java CAS 原理剖析

JDK中，实现CAS，要借助Unsafe类，其中CAS的int实现是这样的:

    public final int getAndIncrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
    }

这里是做自增，为了保证线程安全，会进行值对比交换.我们深入到unsafe里面看看

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

    return var5;
}

这里的意思大致是: var1代表对象的内存位置,var2代表对象中的变量偏移量，var5代表变量预期值，var5+var4代表了新的值.如果对象中内存偏移量为var2的变量值为var5，就把它更新为var5+var4.

cas

CAS的优缺点

优点: 相对于synchronized更加轻量级,因为synchronized往往需要进入内核态将线程挂起或者恢复，这对于操作系统来说，会带来一些性能上的压力。那么使用CAS则可以牺牲一点CPU的时间(自旋),来减少对操作系统的资源消耗。
缺点: 对于原子类来说，自旋往往只能保证一个变量是线程安全的，如果需要一系列的操作都要保证线程安全，那么还是需要进行同步操作。

同步锁-synchronized

synchronized是一个同步锁的修饰符，它可以作用于代码块、成员属性、方法上,当线程执行代码进入被synchronized修饰的代码块时，会自动获取对象的监视器锁，此时其他线程对该代码块进行访问时，会被JVM阻塞挂起，直到执行同步逻辑的线程退出代码块或者抛出异常后释放了锁，其他线程才有机会访问该代码块。

由于synchronized是重量级锁，对于阻塞挂起、唤醒操作，都需要从用户态切换到内核态，属于比较耗时的操作。

synchronized是否保证内存可见性?

synchronized的内存语义:
synchronized修饰的代码块中的变量会在线程的工作内存中被清除，，退出代码块时将该变量的值刷新到主内存。所以,synchronized可以保证内存可见性.

线程本地变量-ThreadLocal

要保证线程安全，除了排队之外，还可以使用ThreadLocal.
比如有一个任务：3个线程同时开始做i++5次，算完之后输出结果.
我们除了可以用一个AutomicInteger自增外，还可以为每个线程设置一个ThreadLocal值，算完之后再合计即可。

ThreadLocal可以保证，每个线程只访问到自己的变量，内部维护了一个Map,每个ThreadLocal进行读取的时候，都将Thread作为参数进行传递，从ThreadLocalMap中获取值.

    public T get() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null) {
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                T result = (T)e.value;
                return result;
            }
        }
        return setInitialValue();
    }

总结

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