第二章線程安全性

fsmStudy 發(fā)布于2019-08-15 13:48 / 1167人閱讀

摘要：第二章線程安全性線程安全性的理解定義某個(gè)類(lèi)的行為與其規(guī)范完全一致原子性競(jìng)態(tài)條件理解當(dāng)操作的正確的結(jié)果取決于多個(gè)線程的交替執(zhí)行時(shí)序，就會(huì)發(fā)生競(jìng)態(tài)條件。

第二章線程安全性 2.1 線程安全性的理解

定義：某個(gè)類(lèi)的行為與其規(guī)范完全一致

2.2 原子性 2.2.1 競(jìng)態(tài)條件

理解：當(dāng)操作的正確的結(jié)果取決于多個(gè)線程的交替執(zhí)行時(shí)序，就會(huì)發(fā)生競(jìng)態(tài)條件。常見(jiàn)的競(jìng)態(tài)條件類(lèi)型是
”先檢查后執(zhí)行“，首先觀察到某個(gè)條件為真再去采取下一步的動(dòng)作（然而在這兩個(gè)操作之間其實(shí)觀察結(jié)果可能失效）

一個(gè)很常見(jiàn)的例子就是延遲初始化。當(dāng)一個(gè)線程根據(jù)觀察結(jié)果為空進(jìn)行初始化時(shí)，一個(gè)線程可能已經(jīng)建立了初始化。

@NotThreadSafe
public class LazyInitRace {
    private SampleClass sample;

    public SampleClass getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new SampleClass();
        }
        return instance;
    }
}

2.2.3 復(fù)合操作

原子操作：對(duì)于訪問(wèn)同一個(gè)狀態(tài)的所有操作（包括該操作本身）來(lái)說(shuō)，這個(gè)操作是以一個(gè)原子方式來(lái)執(zhí)行的操作，也即不可分割的操作。如這些操作：先檢查后執(zhí)行，讀取-修改-寫(xiě)入等復(fù)合操作，包含了一組必須以原子方式執(zhí)行的操作以確保其線程安全性。

2.3 加鎖機(jī)制

線程安全性的定義中要求，多個(gè)線程之間無(wú)論采取何種執(zhí)行時(shí)序或交替方式，都要保證不變性條件不被破壞。當(dāng)在不變性條件中涉及多個(gè)策略時(shí)，各個(gè)變量之間不是彼此獨(dú)立的話，某個(gè)變量的值就會(huì)對(duì)其他變量的值產(chǎn)生約束。要保持狀態(tài)的一致性，就需要在單個(gè)原子操作中更新所有相關(guān)的狀態(tài)變量。

2.3.1 內(nèi)置鎖

Java提供的一種內(nèi)置鎖機(jī)制：同步代碼塊。同步代碼塊包括兩個(gè)部分：有個(gè)作為鎖的對(duì)象引用，一個(gè)作為由這個(gè)鎖保護(hù)的代碼塊，常見(jiàn)的有synchronized關(guān)鍵字：

synchronized (lock) {
    // TODO
}

附：
每個(gè)Java對(duì)象都可以用作一個(gè)實(shí)現(xiàn)同步的鎖，這些鎖被稱為內(nèi)置鎖或監(jiān)視器鎖。

2.3.2 重入

當(dāng)某個(gè)線程請(qǐng)求一個(gè)由其他線程持有的鎖時(shí)，發(fā)出請(qǐng)求的線程就會(huì)被阻塞。而如果這個(gè)線程試圖獲取已經(jīng)由它自己持有的鎖，則這個(gè)請(qǐng)求就會(huì)成功。否則，就會(huì)導(dǎo)致死鎖的發(fā)生。簡(jiǎn)單示例如下：

public class Parent {
    public synchronized void parentMethod { ... }
}

public class Child extends Parent {
    public synchronized void childMethod { ... }
}

2.4 用鎖來(lái)保護(hù)狀態(tài)

首先了解一個(gè)概念，共享狀態(tài)：這里指各個(gè)線程共享的有狀態(tài)對(duì)象等。通過(guò)鎖來(lái)構(gòu)造一些協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)對(duì)共享狀態(tài)的獨(dú)占訪問(wèn)，只要始終遵循這些協(xié)議，就能確保狀態(tài)的一致性。
當(dāng)復(fù)合操作訪問(wèn)共享狀態(tài)時(shí)，如讀取-修改-寫(xiě)入，必須是原子操作以避免產(chǎn)生競(jìng)態(tài)條件。
還需要理解的幾個(gè)點(diǎn)：1、僅僅將復(fù)合操作封裝到一個(gè)同步代碼塊中是不夠的。如果用同步來(lái)協(xié)調(diào)對(duì)某個(gè)變量的訪問(wèn)，那么在訪問(wèn)這個(gè)變量的所有位置上都需要同步。2、當(dāng)使用鎖來(lái)協(xié)調(diào)對(duì)某個(gè)變量的訪問(wèn)時(shí)，在訪問(wèn)變量的所有位置上都要使用同一個(gè)鎖。3、對(duì)于可能被多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)的可變狀態(tài)變量，在訪問(wèn)它時(shí)都需要持有同一個(gè)鎖，在這種情況下，我們稱狀態(tài)變量是由這個(gè)鎖來(lái)保護(hù)的。4、每個(gè)共享的和可變的變量都應(yīng)該只有一個(gè)鎖來(lái)保護(hù)，從而使維護(hù)人員知道是哪一個(gè)鎖。
一種加鎖的約定是：使所有的可變狀態(tài)都封裝在對(duì)象內(nèi)部，并通過(guò)對(duì)象的內(nèi)置鎖對(duì)所有訪問(wèn)可變狀態(tài)的代碼路徑·進(jìn)行同步，使得該對(duì)象上不會(huì)發(fā)生同步，如Vector類(lèi)等。
當(dāng)類(lèi)的不變性涉及到多個(gè)狀態(tài)變量時(shí)，那么還有另外一個(gè)需求：在不變性條件中的每個(gè)變量都必須由同一個(gè)鎖來(lái)保護(hù)。

2.5 活躍性與性能

不良并發(fā)程序：可同時(shí)調(diào)用的數(shù)量，不僅受到可用處理資源的限制，還受到應(yīng)用程序本身的限制。一種改良做法是（書(shū)中給出的），要確保同步代碼塊不要過(guò)小，且不要將本應(yīng)是原子的操作拆分到多個(gè)同步代碼中。應(yīng)盡量將不影響共享狀態(tài)且執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)的操作從同步代碼中分離出去，從而在這些操作的執(zhí)行過(guò)程中，其他線程可以訪問(wèn)共享狀態(tài)。

public class CachedFactorizer implements Servlet {
    private BigInteger lastNumber;
    private BigInteger[] lastFactors;
    private long hits;
    private long cacheHits;

    public synchronized long getHits() {
        return hits;
    }

    public synchronized double getCachedHits() {
        return (double)cacheHits / (double)hits;
    }

    public void service(ServletRequest req, ServletReponse resp) {
        BigInteger i = extractFromRequest(req);
        BigInteger[] factors = null;

        synchronized(this) {
            ++hits;
            if (i.equals(lastNumber)) {
                ++cacheHits;
                factors = lastFactors.clone();
            }
        }

        if (factors == null) {
            factors = getFactor(i);
            synchronized(this) {
                lastNumber = i;
                lastFactors = factors.clone();
            }
        }

        encodeIntoResponse(resp, factors);
    }
}

要判斷同步代碼的和李大霄，需要在各個(gè)設(shè)計(jì)需求之間進(jìn)行權(quán)衡，包括安全性、簡(jiǎn)單性和性能。如果持有鎖的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，那么會(huì)帶來(lái)活躍性或性能問(wèn)題：當(dāng)執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)的計(jì)算或者可能無(wú)法快速完成的操作時(shí)（例如，網(wǎng)絡(luò)I/O或控制態(tài)I/O，一定不要持有鎖。

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