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JUC并发编程--------线程安全篇

目录

什么是线程安全性问题?

如何实现线程安全?

1、线程封闭

2、无状态的类

3、让类不可变

4、加锁和CAS

并发环境下的线程安全问题有哪些?

1、死锁

2、活锁

3、线程饥饿


什么是线程安全性问题?

我们可以这么理解,我们所写的代码在并发情况下使用时,总是能表现出正确的行为;反之,未实现线程安全的代码,表现的行为是不可预知的,有可能正确,而绝大多数的情况下是错误的。正如Java语言规范在《Chapter 17. Threads and Locks》所说的:

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图中标红文字的意思是:线程的行为(尤其是在未正确同步的情况下)可能会造成混淆并且违反直觉。本章描述了多线程程序的语义。它包括规则,通过读取多个线程更新的共享内存可以看到值。

如果要实现线程安全性,就要保证我们的类是线程安全的的。在《Java并发编程实战》中,定义“类是线程安全的”如下:

当多个线程访问某个类时,不管运行时环境采用何种调度方式或者这些线程将如何交替执行,并且在调用代码中不需要任何额外的同步或者协同,这个类都能表现出正确的行为,那么就称这个类是线程安全的。

如何实现线程安全?

1、线程封闭

把对象封装到一个线程里,只有这一个线程能看到此对象。那么这个对象就算不是线程安全的也不会出现任何安全问题。举个例子

  • 栈封闭

栈封闭是我们编程当中遇到的最多的线程封闭。什么是栈封闭呢?简单的说就是局部变量。多个线程访问一个方法,此方法中的局部变量都会被拷贝一份到线程栈中。所以局部变量是不被多个线程所共享的,也就不会出现并发问题。所以能用局部变量就别用全局的变量,全局变量容易引起并发问题。

  • TheadLocal

ThreadLocal是实现线程封闭的最好方法。ThreadLocal内部维护了一个Map,Map的key是每个线程的名称,而Map的值就是我们要封闭的对象。每个线程中的对象都对应着Map中一个值,也就是ThreadLocal利用Map实现了对象的线程封闭。

2、无状态的类

没有任何成员变量的类,就叫无状态的类,这种类一定是线程安全的,例如web服务中大部分的service层。

如果这个类的方法参数中使用了对象,也是线程安全的吗?比如:

当然也是,为何?因为多线程下的使用,固然user这个对象的实例会不正常,但是对于StatelessClass这个类的对象实例来说,它并不持有UserVo的对象实例,它自己并不会有问题,有问题的是UserVo这个类,而非StatelessClass本身。

3、让类不可变

让状态不可变,加final关键字,对于一个类,所有的成员变量应该是私有的,同样的只要有可能,所有的成员变量应该加上final关键字,但是加上final,要注意如果成员变量又是一个对象时,这个对象所对应的类也要是不可变,才能保证整个类是不可变的。

但是要注意,一旦类的成员变量中有对象,上述的final关键字保证不可变并不能保证类的安全性,为何?因为在多线程下,虽然对象的引用不可变,但是对象在堆上的实例是有可能被多个线程同时修改的,没有正确处理的情况下,对象实例在堆中的数据是不可预知的。

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4、加锁和CAS

最常使用的保证线程安全的手段,使用synchronized关键字,使用显式锁,使用各种原子变量,修改数据时使用CAS机制等等。

并发环境下的线程安全问题有哪些?

1、死锁

概念

是指两个或两个以上的进程在执行过程中,由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象,若无外力作用,它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁。

死锁的必要条件

  1. 死锁是必然发生在多操作者(M>=2个)争夺多个资源(N>=2个,且N
  2. 争夺资源的顺序不对,如果争夺资源的顺序是一样的,也不会产生死锁;
  3. 争夺者对拿到的资源不放手。

学术化的定义

死锁的发生必须具备以下四个必要条件。

  1. 互斥条件:指进程对所分配到的资源进行排它性使用,即在一段时间内某资源只由一个进程占用。如果此时还有其它进程请求资源,则请求者只能等待,直至占有资源的进程用毕释放。
  2. 请求和保持条件:指进程已经保持至少一个资源,但又提出了新的资源请求,而该资源已被其它进程占有,此时请求进程阻塞,但又对自己已获得的其它资源保持不放。
  3. 不剥夺条件:指进程已获得的资源,在未使用完之前,不能被剥夺,只能在使用完时由自己释放。
  4. 环路等待条件:指在发生死锁时,必然存在一个进程——资源的环形链,即进程集合{P0,P1,P2,···,Pn}中的P0正在等待一个P1占用的资源;P1正在等待P2占用的资源,……,Pn正在等待已被P0占用的资源。

避免死锁

理解了死锁的原因,尤其是产生死锁的四个必要条件,就可以最大可能地避免、预防和解除死锁。

只要打破四个必要条件之一就能有效预防死锁的发生。

  1. 打破互斥条件:改造独占性资源为虚拟资源,大部分资源已无法改造。
  2. 打破不可抢占条件:当一进程占有一独占性资源后又申请一独占性资源而无法满足,则退出原占有的资源。
  3. 打破占有且申请条件:采用资源预先分配策略,即进程运行前申请全部资源,满足则运行,不然就等待,这样就不会占有且申请。
  4. 打破循环等待条件:实现资源有序分配策略,对所有设备实现分类编号,所有进程只能采用按序号递增的形式申请资源。

简单顺序死锁现象

两个线程获取锁的顺序相反

public class Demo {public static void main(String[] args) {Object objA = new Object();Object objB = new Object();
​new Thread(()->{while(true){synchronized (objA){//线程一synchronized (objB){System.out.println("小康同学正在走路");}}}}).start();
​new Thread(()->{while(true){synchronized (objB){//线程二synchronized (objA){System.out.println("小薇同学正在走路");}}}}).start();}
}

解决方法:使用ReentranLock等工具锁,尝试获取锁,如果获取失败,则释放已经获取到的锁

public class TryLock {private static Lock No13 = new ReentrantLock();//第一个锁private static Lock No14 = new ReentrantLock();//第二个锁//先尝试拿No13 锁,再尝试拿No14锁,No14锁没拿到,连同No13 锁一起释放掉private static void zhouYuDo() throws InterruptedException {String threadName = Thread.currentThread().getName();Random r = new Random();while(true){if(No13.tryLock()){System.out.println(threadName +" get 13");try{if(No14.tryLock()){try{System.out.println(threadName  +" get 14");System.out.println("zhouYuDo do work------------");break;}finally{No14.unlock();}}}finally {No13.unlock();}}//Thread.sleep(r.nextInt(3));}}//先尝试拿No14锁,再尝试拿No13锁,No13锁没拿到,连同No14锁一起释放掉private static void monkeyDo() throws InterruptedException {String threadName = Thread.currentThread().getName();Random r = new Random();while(true){if(No14.tryLock()){System.out.println(threadName +" get 14");try{if(No13.tryLock()){try{System.out.println(threadName +" get 13");System.out.println("monkeyDo do work------------");break;}finally{No13.unlock();}}}finally {No14.unlock();}}//Thread.sleep(r.nextInt(3));}}private static class DemoA extends Thread{private String name;public DemoA(String name) {this.name = name;}public void run(){Thread.currentThread().setName(name);try {zhouYuDo();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}public static void main(String[] args) {Thread.currentThread().setName("Monkey");DemoA demoA = new DemoA("ZhouYu");demoA.start();try {monkeyDo();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}
}

动态顺序死锁

以锁作为入参,传入锁的顺序不同

public class DynDeadLock {private static Object No1 = new Object();//第一个锁private static Object No2 = new Object();//第二个锁/*公共业务方法*/private static void businessDo(Object first,Object second) throws InterruptedException {String threadName = Thread.currentThread().getName();synchronized (first){System.out.println(threadName + " get first");Thread.sleep(100);synchronized (second){System.out.println(threadName + " get second");}}}private static class DemoA extends Thread{private String name;public DemoA (String name) {this.name = name;}@Overridepublic void run() {Thread.currentThread().setName(name);try {businessDo(No1,No2);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread.currentThread().setName("A");DemoA demoA= new DemoA("B");demoA.start();businessDo(No2,No1);}}

解决方案:将传入的锁进行哈希值比对,保证每次都先使用哈希值较大或者较小的锁

public class SafeOperate {private static Object No13 = new Object();//第一个锁private static Object No14 = new Object();//第二个锁private static Object tieLock = new Object();//第三把锁public void transfer(Object first,Object second)throws InterruptedException {int firstHash = System.identityHashCode(first);int secondHash = System.identityHashCode(second);if(firstHash<secondHash){synchronized (first){System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" get "+first);Thread.sleep(100);synchronized (second){System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" get "+second);}}}else if(secondHash<firstHash){synchronized (second){System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" get"+second);Thread.sleep(100);synchronized (first){System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" get"+first);}}}else{synchronized (tieLock){synchronized (first){synchronized (second){System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" get"+first);System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" get"+second);}}}}}
}

2、活锁

两个线程在尝试拿锁的机制中,发生多个线程之间互相谦让,不断发生同一个线程总是拿到同一把锁,在尝试拿另一把锁时因为拿不到,而将本来已经持有的锁释放的过程。

解决方式:每个线程休眠随机数,错开拿锁的时间。

3、线程饥饿

一个线程由于优先级太低,始终得不到 CPU 调度执行,也不能够结束

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