Java线程系列——线程安全
一、什么是线程安全：
《Java Concurrency In Practice》的作者Brian Goetz对“线程安全”有一个比较恰当的定义：
“当多个线程访问一个对象时，如果不用考虑这些线程在运行时环境下的调度和交替执行，也不需要进行额外的同步，或者在调用方进行任何其他的协调操作，调用这个对象的行为都可以获得正确的结果，那这个对象是线程安全的。”
翻译：不管在业务中遇到怎样的多个线程访问某对象或某方法的情况，而在编程这个业务逻辑的时候，都不需要做任何额外的处理（就是可以像单线程编程一样），程序可以正常运行（不会因为多线程而出错），就可以称为线程安全。
那为什么不能把代码都写成线程安全的呢？其实是涉及到一些运行速度，设计成本等的考虑。不能过度设计。
二、什么情况下会出现线程安全问题，怎么避免？
1. 数据征用，两方同时去写，其中一方数据要么丢弃，要么写入错误错误。
运行结果错误：例如 a++多线程下出现消失的请求现象
public class MultiThreadError implements Runnable {
static MultiThreadError instance = new MultiThreadError();
int index = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread thread1 = new Thread(instance);
Thread thread2 = new Thread(instance);
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
System.out.println(instance.index);
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
index++;
}
}
}
运行结果：（每次不同）
13048
运行结果不确定，到底是在哪里出的问题？
public class MultiThreadError1 implements Runnable {
static MultiThreadError1 instance = new MultiThreadError1();
int index = 0;
static AtomicInteger realIndex = new AtomicInteger();
static AtomicInteger wrongIndex = new AtomicInteger();//cas
static volatile CyclicBarrier cyclicBarrier1 = new CyclicBarrier(2);
static volatile CyclicBarrier cyclicBarrier2 = new CyclicBarrier(2);
final boolean[] marked = new boolean[10000000];
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread thread1 = new Thread(instance);
Thread thread2 = new Thread(instance);
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
System.out.println("表面上结果是:" + instance.index);
System.out.println("真正运行的词数:" + realIndex.get());
System.out.println("错误次数:" + wrongIndex.get());
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
try {
cyclicBarrier2.reset();
cyclicBarrier1.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
index++;
try {
cyclicBarrier1.reset();
cyclicBarrier2.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} catch (BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
realIndex.incrementAndGet();
synchronized (instance) { //保证可见性
if (marked[index] && marked[index -1]) {
System.out.println("发生错误" + index);
wrongIndex.incrementAndGet();
}
marked[index] = true;
}
}
}
}
运行结果：
发生错误12995
表面上结果是:19999
真正运行的词数:20000
错误次数:1
线程安全问题.jpg
2.活跃性问题：死锁、活锁、饥饿
下面的代码演示死锁：
public class MultiThreadError2 implements Runnable {
int flag = 1;
static Object o1 = new Object();
static Object o2 = new Object();
public static void main(String[] args) {
MultiThreadError2 multiThreadError1 = new MultiThreadError2();
MultiThreadError2 multiThreadError2 = new MultiThreadError2();
multiThreadError1.flag = 1;
multiThreadError2.flag = 0;
new Thread(multiThreadError1).start();
new Thread(multiThreadError2).start();
}
@Override
public void run() {
System.out.println("flag = " + flag);
if (flag == 1) {
synchronized (o1) {
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (o2){
System.out.println("1");
}
}
}
if(flag == 0){
synchronized (o2){
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (o1){
System.out.println("0");
}
}
}
}
}
运行结果：
flag = 1
flag = 0
3.对象发布和初始化的时候的安全问题
什么是发布？
让一个对象超出这个类的范围去使用。比如一个对象被声明成了public，那么就被发布出去了；或者一个方法的return是个对象的话，那么调用这个方法的类，也获得了该对象。我们把这个类传到其他类的方法中，也是脱离了本类，来到了其他类。这些都叫做发布。发布是我们时时刻刻在做的事情。本来没什么问题，但是一旦发生了逸出，就有问题了。
那什么又是逸出呢？
- 方法返回一个private对象（private的本意是不让外部访问）
public class MultiThreadsError3 {
private Map<String, String> states;
public MultiThreadsError3() {
states = new HashMap<>();
states.put("1", "周一");
states.put("2", "周二");
states.put("3", "周三");
states.put("4", "周四");
states.put("5", "周五");
states.put("6", "周六");
states.put("7", "周日");
}
//比如提供一个星期服务, 不能提供星期的改写,但是写出了这个方法, 造成了逸出
public Map<String, String> getStates() {
return states;
}
public Map<String, String> getStatesImproved() {
return new HashMap<>(states);
}
public static void main(String[] args) {
MultiThreadsError3 multiThreadsError3 = new MultiThreadsError3();
Map<String, String> states = multiThreadsError3.getStates();
//造成逸出
System.out.println(states.get("1"));
states.remove("1");
System.out.println(states.get("1"));
//不造成逸出
// System.out.println(multiThreadsError3.getStatesImproved().get("1"));
// multiThreadsError3.getStatesImproved().remove("1");
// System.out.println(multiThreadsError3.getStatesImproved().get("1"));
}
}
如果这样发布出去，给过被调用方篡改，会造成服务不可靠。改进方法是，发布一个数据copy对象，供调用方使用。
- 还未完成初始化（构造函数没完全执行完毕）就把对象提供给外界，比如：
1.在构造函数中未初始化完毕就this赋值
public class MultiThreadError4 {
static Point point;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
new PointMaker().start();
Thread.sleep(10);
if(point != null){
System.out.println(point);
}
}
}
class Point {
private final int x, y;
public Point(int x, int y) throws InterruptedException {
this.x = x;
MultiThreadError4.point = this;
Thread.sleep(100);
this.y = y;
}
@Override
public String toString() {
return x + "," + y;
}
}
class PointMaker extends Thread {
@Override
public void run() {
try {
new Point(1,1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
- 隐式逸出---注册监听事件
public class MultiThreadsError5 {
int count;
public MultiThreadsError5(MySource source) {
source.registerListener(new EventListener() {//匿名内部类会持有外部类的引用
@Override
public void onEvent(Event e) {
System.out.println("\n 我得到的数字是:" + count);
}
});
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
System.out.print(i);
}
count = 100;
}
public static void main(String[] args) {
MySource mySource = new MySource();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
mySource.eventCome(new Event() {
});
}
}).start();
MultiThreadsError5 multiThreadsError5 = new MultiThreadsError5(mySource);
}
static class MySource {
private EventListener listener;
void registerListener(EventListener eventListener) {
this.listener = eventListener;
}
void eventCome(Event e) {
if (listener != null) {
listener.onEvent(e);
} else {
System.out.println("还未初始化完毕");
}
}
}
interface EventListener {
void onEvent(Event e);
}
interface Event {
}
}
运行结果：
…(省略了一大段打印的意思)
我得到的数字是:0
新起线程又过了10ms后，此时还没有运行到count=100，而匿名内部类持有外部类的引用，所以此时count = 0；
修改代码为：
public class MultiThreadsError7 {
int count;
private EventListener listener;
//工厂方法能,避免过早发布,后面代码没来的及执行的问题
private MultiThreadsError7(MySource source) {
listener = new EventListener() {
@Override
public void onEvent(Event e) {
System.out.println("\n 我得到的数字是:" + count);
}
};
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
System.out.println(i);
}
count = 100;
}
public static MultiThreadsError7 getInstance(MySource source) {
//这样会完成所有的初始化工作
MultiThreadsError7 safeListener = new MultiThreadsError7(source);
source.registerListener(safeListener.listener);
return safeListener;
}
public static void main(String[] args) {
MySource mySource = new MySource();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
mySource.eventCome(new Event() {
});
}
}).start();
// MultiThreadsError7 multiThreadsError5 = new MultiThreadsError7(mySource);
MultiThreadsError7 multiThreadsError5 = MultiThreadsError7.getInstance(mySource);
}
static class MySource {
private EventListener listener;
void registerListener(EventListener eventListener) {
this.listener = eventListener;
}
void eventCome(Event e) {
if (listener != null) {
listener.onEvent(e);
} else {
System.out.println("还未初始化完毕");
}
}
}
interface EventListener {
void onEvent(Event e);
}
interface Event {
}
}
3.构造函数中运行线程
public class MultiThreadsError6 {
private Map<String, String> states;
public MultiThreadsError6() {
//初始化的工作不能放在新线程中,否则无法判断什么时候初始化完成,从而容易引发空指针等问题。
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
states = new HashMap<>();
states.put("1", "周一");
states.put("2", "周二");
states.put("3", "周三");
states.put("4", "周四");
states.put("5", "周五");
}
}).start();
}
public Map<String, String> getStates() {
return states;
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
MultiThreadsError6 multiThreadsError6 = new MultiThreadsError6();
//造成时间不同,运行结果不同,从而产生错误
//Thread.sleep(1000);
System.out.println(multiThreadsError6.getStates().get("1"));
}
}
运行结果：
Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
at background.MultiThreadsError6.main(MultiThreadsError6.java:38)
at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)
at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:62)
at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:498)
at com.intellij.rt.execution.application.AppMain.main(AppMain.java:147)
各种需要考虑线程安全的情况
- 访问共享的变量或资源，会有并发风险，比如对象的属性、静态变量、共享缓存、数据库等
- 所有依赖时序的操作，即使每一步操作都是线程安全的，还是存在并发问题：read-modify-write、check-then-act
- 不同的数据之间存在捆绑关系的时候
- 我们使用其他类的时候，如果对方没有声明自己是线程安全的
三、双刃剑：多线程会导致的问题
性能问题有哪些体现，什么是性能问题
单线程不需要调度，不需要用锁，不需要用并发数据结构。
多线程造成的性能问题主要原因：
-
调度：上下文切换。
什么是上下文。
context，发生线程调度的调度。最早的CPU只有进程没有线程，后来有了线程。上下文切换，当某一个线程运行到，比如Thread.sleep想要进入阻塞状态。线程调度器会把线程阻塞，然后再让另外一个等待CPU线程进入到Runnable状态，这样的一个动作就是上下文切换。这种上下文切换，其实开销是非常大的。有的时候比线程的执行时间更长。通常而言，一次上下文切换，消耗5000到10000个CPU时钟周期。
操作系统中，上下文是和寄存器，程序计数器相关的。一次上下文切换，主要包含以下这些活动，挂起线程，把线程目前的状态存到内存中的某处，这个状态就是上下文。这个上下文包含的经典内容，比如我这个线程执行到哪一个指令了，这个指令的位置在哪里，因为后续还要切换回来，跳转到阻塞之前的那个状态。还包括一些寄存器，程序技术器等。 -
缓存开销：
对于CPU要考虑到缓存失效的问题。程序很大概率会访问，访问过的内容，for循环啊，CPU会根据不同的算法，做很多预测，把不同的数据缓存到CPU中，再次使用的时候回很快使用到了。但是一旦进行了上下文切换，那么CPU即将不同线程的不同代码，那么原来的缓存根本就没什么价值了。所以CPU需要重新进行缓存。这导致线程被调度之后，开始的启动速度会比较慢，因为大部分的缓存都失效了。所以CPU为了防止过于频繁的线程切换，会这是一个阈值。两次切换之间不能小于这个时间阈值，否则将导致线程开销的损耗，大于程序的执行。
那么何时会导致密集的上下文切换？抢锁、IO。
内存同步进行。编译器和CPU会帮我们把内存进行优化，这些是看不到的，背后的优化。背后的优化包含很多内容，可能会把指令重排序，让我们的缓存利用的更多一些。或者JVM也会把我们的锁进行优化，比如说它发现我们某些锁是没有必要的，把锁给自动删除了。或者啊，关于内存方面，JMM模型是规定我们有主内存以及各个CPU自己的缓存的。这种情况下，如果我们使用缓存。可以大大增加我们执行的速度，不必要每次和主线程进行同步。我们要用多线程，synchronized或者volatile这些关键字，会让不同线程的缓存失效，这样的话，也会由于内存同步的问题，带来一种开销。它就没有办法在自己的CPU内部进行缓存了，只能用主存，这就降低了效率。
总结： 内存的协作，导致各个线程的缓存失效。切换导致额外的开销。
