Java并发编程的艺术(十二)——线程安全

1. 什么是『线程安全』？

如果一个对象构造完成后，调用者无需额外的操作，就可以在多线程环境下随意地使用，并且不发生错误，那么这个对象就是线程安全的。

2. 线程安全的几种程度

线程安全性的前提：对『线程安全性』的讨论必须建立在对象内部存在共享变量这一前提，若对象在多条线程间没有共享数据，那这个对象一定是线程安全的！

2.1. 绝对的线程安全

上述线程安全性的定义即为绝对线程安全的情况，即：一个对象在构造完之后，调用者无需任何额外的操作，就可以在多线程环境下随意使用。
绝对的线程安全是一种理想的状态，若要达到这一状态，往往需要付出巨大的代价。
通常并不需要达到绝对的线程安全。

2.2. 相对的线程安全

我们通常所说的『线程安全』即为『相对的线程安全』，JDK中标注为线程安全的类通常就是『相对的线程安全』，如：Vector、HashTable、Collections.synchronizedXXX。
对于相对线程安全的类，使用它们时一般不需要使用额外的保障措施，但对于一些特定的使用场景，仍然需要额外的操作来保证线程安全，如：

// 读线程
Thread t1 = new Thread( new Runnable(){
    public void run(){
        for(int i=0; i<vector.size(); i++){
            System.out.println( vector.get(i) );
        }
    }
}).start();

// 写线程
Thread t2 = new Thread( new Runnable(){
    public void run(){
        for(int i=0; i<vector.size(); i++){
            vector.remove(i);
        }
    }
}).start();

vector是一个线程安全的容器，它所提供的方法均为同步方法，但上述代码仍然会出现线程安全性问题：
若线程1读了一半的元素后暂停，线程2开始执行，并删除了所有的元素，然后线程1继续执行，此时发生角标越界异常！
修改方案：加上额外的同步

// 读线程
Thread t1 = new Thread( new Runnable(){
    public void run(){
        synchronized( vector ){
            for(int i=0; i<vector.size(); i++){
                System.out.println( vector.get(i) );
            }
        }
    }
}).start();

// 写线程
Thread t2 = new Thread( new Runnable(){
    public void run(){
        synchronized( vector ){
            for(int i=0; i<vector.size(); i++){
                vector.remove(i);
            }
        }
    }
}).start();

2.3. 线程对立

线程对立指的是：不论调用者采用何种同步措施，都无法达到线程安全的目的。
如Thread类的suspend、resume方法就是线程对立的方法。
suspend方法会暂停线程，但它不会释放资源，若resume需要请求到该资源才会被运行的话，系统就会进入死锁状态。

3. 实现线程安全的方法

3.1. 互斥同步

同步指的是同一时刻，只有一条线程操作『共享变量』。

实现同步的方式有很多：互斥访问、CAS操作。
互斥会引起阻塞，当一条线程请求一个已经被另一线程使用的锁时，就会进入阻塞态；而进入阻塞态会涉及上下文切换。因此，使用互斥来实现同步的开销是很大的。

互斥同步(阻塞式同步)是一种『悲观锁』，即它认为总是存在多条线程竞争资源的情况，因此它不管当前是不是真的有多条线程在竞争共享资源，它总是先上锁，然后再处理。

Java中有两种实现互斥同步的方式：synchronized和ReentrantLock。

1. synchronized
   
   • 编译器会在synchronized同步块的开始和结束位置加上monitorenter和monitorexit指令；
   • 这两个指令需要一个reference类型的参数来指名要锁定和解锁的对象；
   • 若同步块没有明确指定锁对象，那么就使用当前对象或当前类的Class对象；
   • 它是一把可重入的锁，即：当前线程在已经获得锁的情况下，可以再次获取该锁，因此不会出现当前线程把自己锁死的情况；
2. ReentrantLock
   它也是一把可重入的锁，但比synchronized多如下功能：
   
   • 等待可中断：若一条线程长时间占用锁不释放，那被阻塞的线程可以选择放弃等待，而去做别的事；这对于要处理长时间的同步块时是很有帮助的。
   • 可实现公平锁：synchronized是一种非公平锁，即：被阻塞的线程竞争锁是随机的；而公平锁是根据被阻塞线程先来后到的顺序给予锁。ReentrantLock默认是非公平锁，可以通过构造函数构造公平锁。
   • 可以绑定多个条件：synchronized可使用wait/notify来实现等待/通知机制，但一个synchronized同步块只能使用一次，若要使用多次，就需要嵌套同步块；但ReentrantLock可以通过newCondition创建多个条件。

synchronized和ReentrantLock如何选择？
优先选择synchronized！
JDK1.6已经对synchronized做了很多优化，性能与ReentrantLock相差不大。在条件允许的请况下应优先选择synchronized。

3.2. 非阻塞同步

它是一种『乐观锁』，即它总是认为当前没有线程使用共享资源，因此它不管当前的状态，直接操作共享资源，若发现产生了冲突，那么再采取补偿措施（如：CAS的补偿措施就是不断尝试，直到不发生冲突为止），这种方式线程无需进入阻塞态(挂起态)，因此称为『非阻塞同步』。

JUC中各种整形原子类的自增、自减等操作就使用了CAS。

CAS操作过程：CAS操作存在3个值：共享变量V、预期的旧值A、新值B，若V与A相同，则将V更新成B，否则就不更新，继续循环比较，直到更新完成为止。

CAS操作可能引发的问题：ABA问题。
若V一开始的值为A，但在准备赋新值的过程中A变成了B，又变成了A，而CAS操作误认为V没有被改过。

无同步方案

『阻塞式同步』和『非阻塞式同步』都是同一时刻只让一条线程处理共享数据，而下面的方案使得多条线程之间不存在共享数据，从而无需同步。

1. 可重入代码
   如果一块代码段只要输入的值一样其结果就一样的话，这段代码就叫『可重入代码』。
   这一类代码天生具有线程安全性，线程随意切换结果都一样。

2. 线程封闭
   线程封闭：把所有涉及共享变量操作的任务都放在一个线程中运行。
   这样就不存在多条线程同时处理共享变量了，从而达到了线程安全目的。

WEB服务器采用的就是这种方式，它把每个请求封装在一条线程中处理，从而不存在线程安全性问题。

1. 不可变对象
   如果是共享的基本数据类型变量，只要被final修饰，它就是不可变的；
   如果是共享的对象，那就要确保它内部的共享成员变量不会被它的行为所改变。
   PS：保证对象内部共享变量不会被改变的方法有很多，最简单粗暴的方式就是将所有共享变量用final修饰。

不可变对象一定是线程安全的。