线程安全及其实现方法

线程安全

线程安全:当多个对象访问一个对象时,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,或者在调用方法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,那么这个对象是线程安全的。

互斥同步

互斥同步是常见的一种并发正确性保障手段。同步是指多个线程并发访问共享数据时,保障数据在同一时刻只被一个(或者是一些,使用信号量的时候)线程使用。 而互斥是实现同步的一种手段,临界区、互斥量、信号量都是主要的互斥实现方式、因此在这4个字里面,互斥是因、同步是果;互斥是方法,同步是目的。

synchronied关键字

synchronized是java中最基本的同步手段,他在经过编译之后,会在同步前后分别形成monitorenter和monitorexit这两个字节码,这两个字节码都需要一个reference类型的参数来指明要锁定和解锁的对象。如果java程序中的synchronized明确指定了对象参数,那就是这个对象的reference;如果没有明确指定,那就根据synchronized修饰的是实例还是类方法去取对应的对象实例或class对象来作为锁对象。

在虚拟机规范对monitorenter和monitorexit的行为描述中有2点是特别要注意的。

  • synchronized同步块对同一条线程来说是可重入的,不会出现自己把自己锁死的问题。
  • 同步块在已进入的线程执行完之前,会阻塞后面其他线程的进入。

java线程是映射到操作系统的原生线程之上的,如果要阻塞或者唤醒一个线程都需要操作系统来帮忙完成,这就需要从用户态转到核心态中,因此状态转换需要耗费很多的处理时间。对于代码简单的同步块(如被synchronized修饰的set和get方法),状态转换消耗的时间比用户代码执行的时间还要长,所以synchronized是java语言中一个重量级的操作。

ReentrantLock重入锁

基本用法上重入锁和synchronized很相似,他们都具备一样的线程重入特性,只是在代码写法上有点区别,一个表现为API层面的互斥锁,另一个表现在语法层面的互斥锁。不过相比较synchronized,ReetrantLock增加了一些高级功能,主要有以下3项:等待可中断、可实现公平锁,以及锁可以绑定多个条件。

  • 等待可中断是指当持有锁的线程长期不释放锁的时候,正在等待的线程可以选择放弃等待,改为处理其他事情,可中断特性对处理执行时间非常长的同步块很有帮助。
  • 公平锁是指多个线程在等待同一个锁时,必须按照申请锁的时间顺序来依次获得锁;而非公平锁则不保证这一点,在锁被释放时,任何一个等待锁的线程都有机会获得锁。synchronized中的锁是非公平的,ReentrantLock默认情况下也是非公平的,但可以通过带布尔值的构造函数要求使用公平锁。
  • 锁绑定多个条件是指一个ReentrantLock对象可以同时绑定多个Condition对象,而在synchronized中,锁对象的wait()和notify()或notifyAll()方法可以实现一个隐含的条件,如果要和多于一个的条件关联的时候,就不得不额外地添加一个锁,而ReentrantLock则无需这样做,只需要多次调用newCondition()方法即可。

通过对比两种锁的吞吐量可知:
1.6中加入了很多针对锁的优化措施,JDK 1.6发布之后,人们就发现synchronized与ReentrantLock的性能基本上是完全持平了。因此,如果读者的程序是使用JDK 1.6或以上部署的话,性能因素就不再是选择ReentrantLock的理由了,虚拟机在未来的性能改进中肯定也会更加偏向于原生的synchronized,所以还是提倡在synchronized能实现需求的情况下,优先考虑使用synchronized来进行同步。

非阻塞同步

互斥同步最主要的问题就是进行线程阻塞和唤醒所带来的性能问题,因此这种同步也称为阻塞同步(Blocking Synchronization)。从处理问题的方式上说,互斥同步属于一种悲观的并发策略,总是认为只要不去做正确的同步措施(例如加锁),那就肯定会出现问题,无论共享数据是否真的会出现竞争,它都要进行加锁(这里讨论的是概念模型,实际上虚拟机会优化掉很大一部分不必要的加锁)、用户态核心态转换、维护锁计数器和检查是否有被阻塞的线程需要唤醒等操作。随着硬件指令集的发展,我们有了另外一个选择:基于冲突检测的乐观并发策略,通俗地说,就是先进行操作,如果没有其他线程争用共享数据,那操作就成功了;如果共享数据有争用,产生了冲突,那就再采取其他的补偿措施(最常见的补偿措施就是不断地重试,直到成功为止),这种乐观的并发策略的许多实现都不需要把线程挂起,因此这种同步操作称为非阻塞同步(Non-Blocking Synchronization)。

无同步方案

要保证线程安全,并不是一定就要进行同步,两者没有因果关系。同步只是保证共享数据争用时的正确性的手段,如果一个方法本来就不涉及共享数据,那它自然就无须任何同步措施去保证正确性,因此会有一些代码天生就是线程安全的,笔者简单地介绍其中的两类。

可重入代码(Reentrant Code)

这种代码也叫做纯代码(Pure Code),可以在代码执行的任何时刻中断它,转而去执行另外一段代码(包括递归调用它本身),而在控制权返回后,原来的程序不会出现任何错误。相对线程安全来说,可重入性是更基本的特性,它可以保证线程安全,即所有的可重入的代码都是线程安全的,但是并非所有的线程安全的代码都是可重入的。

可重入代码有一些共同的特征,例如不依赖存储在堆上的数据和公用的系统资源、用到的状态量都由参数中传入、不调用非可重入的方法等。我们可以通过一个简单的原则来判断代码是否具备可重入性:如果一个方法,它的返回结果是可以预测的,只要输入了相同的数据,就都能返回相同的结果,那它就满足可重入性的要求,当然也就是线程安全的。

线程本地存储(Thread Local Storage)

如果一段代码中所需要的数据必须与其他代码共享,那就看看这些共享数据的代码是否能保证在同一个线程中执行?如果能保证,我们就可以把共享数据的可见范围限制在同一个线程之内,这样,无须同步也能保证线程之间不出现数据争用的问题。
符合这种特点的应用并不少见,大部分使用消费队列的架构模式(如“生产者-消费者”模式)都会将产品的消费过程尽量在一个线程中消费完,其中最重要的一个应用实例就是经典Web交互模型中的“一个请求对应一个服务器线程”(Thread-per-Request)的处理方式,这种处理方式的广泛应用使得很多Web服务端应用都可以使用线程本地存储来解决线程安全问题。
Java语言中,如果一个变量要被多线程访问,可以使用volatile关键字声明它为“易变的”;如果一个变量要被某个线程独享,Java中就没有类似C++中__declspec(thread)[3]这样的关键字,不过还是可以通过java.lang.ThreadLocal类来实现线程本地存储的功能。每一个线程的Thread对象中都有一个ThreadLocalMap对象,这个对象存储了一组以ThreadLocal.threadLocalHashCode为键,以本地线程变量为值的K-V值对,ThreadLocal对象就是当前线程的ThreadLocalMap的访问入口,每一个ThreadLocal对象都包含了一个独一无二的threadLocalHashCode值,使用这个值就可以在线程K-V值对中找回对应的本地线程变量。

参考

本文内容摘自周志明老师的深入理解Java虚拟机第十三章线程安全与锁优化。

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