多线程并发安全问题

并发安全问题

线程安全性

线程安全是指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，

实现线程安全的方式：

• 线程封闭

  就是把对象封装到一个线程里，只有这一个线程能看到此对象。实现线程封闭的方式如下：

  • 栈封闭

    这里是指每个线程自己的线程栈，方法的局部变量就是在线程栈中的，对于其他线程是不可见的

  • ThreadLocal

    各个线程Thread对象维护了一份Map，对于其他线程是不可见的

• 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。

• 让类不可变

  没有成员变量的类毕竟是少数，我们还可以让类的成员变量不可变，给他们加上final关键字

  如果成员变量是一个对象，final不能保证类的安全性，因为虽然对象的引用不会变，但是在堆上的对象实例可能被多个线程同时修改，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。

• 加锁或CAS

  synchronized、显示锁Look、原子Atomic操作、CAS机制等等

死锁

定义

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。

• 死锁是必然发生在多操作者（M>=2 个）争夺多个资源（N>=2 个，且 N<=M） 才会发生这种情况。
• 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；
• 争夺者对拿到的资源不放手，也不能被掠夺。

学术化的定义。死锁的发生必须具备以下四个必要条件。

• 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。
• 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。
• 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。
• 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。

只要打破四个必要条件之一就能有效预防死锁的发生。

• 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。
• 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。
• 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。
• 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。

避免死锁常见的算法有有序资源分配法、银行家算法。

实现一个死锁

/*** @Description: 实现一个简单的死锁程序* @Author 胡尚* @Date: 2023/4/1 17:59*/
public class DeadLookTest {private static Object o1 = new Object();private static Object o2 = new Object();public void fastLock() throws InterruptedException {synchronized(o1){Thread.sleep(2000);System.out.println("fast");synchronized (o2){System.out.println("----");}}}public void postLock() throws InterruptedException {synchronized(o2){Thread.sleep(2000);System.out.println("post");synchronized (o1){System.out.println("----");}}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {DeadLookTest deadlook = new DeadLookTest();// 新开一个线程去调用其中一个方法new Thread(() -> {try {deadlook.postLock();} catch (InterruptedException e) {}}).start();deadlook.fastLock();}
}

查看死锁

使用jstack命令查看死锁结果

C:\Users\Administrator>jps
4784 DeadLookTest
9808 RemoteMavenServer36
2052 Launcher
2692 Jps
8572C:\Users\Administrator>jstack 4784
......
Found one Java-level deadlock:
=============================
"Thread-0":waiting to lock monitor 0x0000025d5a58fd88 (object 0x0000000716edb910, a java.lang.Object),which is held by "main"
"main":waiting to lock monitor 0x0000025d5a58e998 (object 0x0000000716edb920, a java.lang.Object),which is held by "Thread-0"Java stack information for the threads listed above:
===================================================
"Thread-0":at cn.tulingxueyuan.safe.dl.DeadLookTest.postLock(DeadLookTest.java:30)- waiting to lock <0x0000000716edb910> (a java.lang.Object)- locked <0x0000000716edb920> (a java.lang.Object)at cn.tulingxueyuan.safe.dl.DeadLookTest.lambda$main$0(DeadLookTest.java:39)at cn.tulingxueyuan.safe.dl.DeadLookTest$$Lambda$1/2003749087.run(Unknown Source)at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
"main":at cn.tulingxueyuan.safe.dl.DeadLookTest.fastLock(DeadLookTest.java:20)- waiting to lock <0x0000000716edb920> (a java.lang.Object)- locked <0x0000000716edb910> (a java.lang.Object)at cn.tulingxueyuan.safe.dl.DeadLookTest.main(DeadLookTest.java:43)Found 1 deadlock.

解决死锁

我们现在通过上面的命令找到了产生死锁的位置，那么如何取解决死锁嘞？我们知道产生死锁的原因如下：

• 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<=M） 才会发生这种情况。
• 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；
• 争夺者对拿到的资源不放手，也不能被掠夺。

第一个条件一般都是业务必须要，那么打破死锁就要从下面的两个条件去解决

• 保证争夺锁资源的顺序一样。

  在实际的开发中可能会存在比较隐蔽的加锁顺序，比如锁对象作为方法参数传递，如下所示

  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(1000);synchronized (second){System.out.println(threadName + " get second");}}
  }// 然后两个线程，在调用的时候传递的参数顺序却不一样
  businessDo(No1,No2);
  businessDo(No2,No1);
  

  解决上面这种问题的方式是：在加锁前，在方法中做一个内部的排序

  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{// 万一两个对象的hash值一样，那么就引入第三把锁，谁先抢到第三把锁就去进行前两两把锁的加锁synchronized (tieLock){synchronized (first){synchronized (second){System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" get"+first);System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" get"+second);}}}}}
  }
  

• 对拿到的锁资源尝试释放

  这种方式对于synchronized是不适用的，因为它不拿到锁誓不罢休。使用ReentrantLock，使用其中的tryLock(long time, TimeUnit unit)方法，在指定的时间中如果还没有拿到锁就去进行释放的逻辑

  大致是实现逻辑如下所示

  while(true){if(No13.tryLock()){System.out.println(threadName +" get 13");// 如果没有拿到No14的锁，那么No13的锁也释放try{if(No14.tryLock()){try{System.out.println(threadName  +" get 14");System.out.println("zhouYuDo do work------------");break;}finally{No14.unlock();}}}finally {No13.unlock();}}// 如果不加休眠机制，那么就比较容易产生活锁Thread.sleep(1000);
  }
  

其他线程安全问题

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。

解决办法：每个线程休眠随机数，错开拿锁的时间。

线程饥饿

低优先级的线程，总是拿不到执行时间

单例模式

• DCL双重检测机制
• volatile关键字禁止指令重排

public class HungrySingleton {//创建 SingletonHungry 的一个对象private static volatile HungrySingleton instance;// 让构方法私有，这样该类就不会被其它类实例化private HungrySingleton() {}//获取唯一可用的对象public static HungrySingleton getInstance() {if(null == instance) { synchronized{if(null == instance) { instance = new LazySingleton();}}}return instance;}
}