Java 并发总结（一）：线程安全的机制

1. 多线程开发的两个核心问题

• 竞争和协作
• 管理竞争和协作是复杂的，所以 Java 提供了更高层次的服务，比如并发容器和异步任务执行服务

2. 线程安全的机制有哪些

• 线程表示一条单独的执行流，每个线程有自己的执行计数器，有自己的栈，但可以共享内存

• 实现线程协作的基础是共享内存

• 但共享内存有两个问题：竞态条件和内存可见性。解决这些问题的思路有

  • synchronized

    • synchronized 只是一个关键字，简单易用。在大部分情况下，放到类的方法声明上就可以了。既可以解决竞态条件问题，也可以解决内存可见性问题
    • synchronized 保护的是对象，不是代码。只有对同一个对象的 synchronized 方法调用，synchronized 才能保证它们被顺序调用。对于实例方法，这个对象是 this；对于静态方法，这个对象是类对象；对于代码块，需要指定哪个对象
    • synchronized 不能尝试获取锁，也不响应中断，还可能会死锁。不过，相比显式锁，synchronized 隐式锁简单易用，JVM 也可以不断优化它的实现。实际开发中，synchronized 应该被优先使用

  • 显式锁

    • 显式锁是相对于 synchronized 隐式锁而言的，它可以实现 synchronized 同样的功能，但需要程序员自己创建锁，调用锁相关的接口，主要接口是 Lock，主要实现类是 ReentrantLock
    • 相比 synchronized，显式锁支持以非阻塞式方式获取锁、可以响应中断、可以限时、可以指定公平性、可以解决死锁问题，这使得显式锁灵活很多
    • 在读多写少、读操作可以完全并行的场景中，可以使用读写锁以提高并发度，读写锁的接口是 ReadWriteLock，实现类是 ReentrantReadWriteLock

  • volatile

    • synchronized 和显式锁都是锁，使用锁可以实现安全，但使用锁是有成本的，获取不到锁的线程还需要等待，会有线程的上下文切换开销等
    • 保证安全不一定非要锁。如果共享的对象只有一个，操作也只是进行最简单的 get()/set() 操作，set() 也不依赖于之前的值，那就不存在竞态条件问题，而只有内存可见性问题。这时，在变量的声明上加上 volatile 关键字就可以了。volatile 可以解决内存可见性问题

  • 原子变量和 CAS

    • 使用 volatile，set() 的新值不能依赖于旧值，但很多时候，set() 的新值与原来的值有关。这时，也不一定需要锁，如果需要同步的代码比较简单，可以考虑原子变量，它们包含了一些以原子方式实现组合操作的方法。对于并发环境中的计数、产生序列号等需求，考虑使用原子变量而非锁
    • 原子变量的基础是 CAS，一般的计算机系统都在硬件层次上直接支持 CAS 指令。通过循环 CAS 的方式实现原子更新是一种重要的思维。相比 synchronized，它是乐观的，而 synchronized 是悲观的；它是非阻塞式的，而 synchronized 是阻塞式的
    • CAS 是 Java 并发包的基础，基于它可以实现高效的、乐观的、非阻塞式的数据结构和算法。CAS 也是并发包中锁、同步工具和各种容器的基础

  • 写时复制

    • 之所以会有线程安全的问题，是因为多个线程并发读写同一个对象，如果每个线程读写的对象都是不同的，或者，如果共享访问的对象是只读的、不能修改，那也就不存在线程安全问题了
    • 写时复制就是将共享访问的对象变为只读的，写的时候再使用锁，保证只有一个线程写。写的线程不是直接修改原对象，而是新创建一个对象，对该对象修改完毕后，再原子性地修改共享访问的变量，让它指向新的对象

  • ThreadLocal

    • 线程本地变量 ThreadLocal 就是让每个线程，对同一个变量，都有自己的独有副本。每个线程实际访问的对象都是自己的，自然也就不存在线程安全问题了