Java中的线程到底有哪些安全策略

Posted 2022-05-18 华为云开发者社区

摘要：Java中的线程到底有哪些安全策略呢？本文就为你彻底分析下！

本文分享自华为云社区《​​【高并发】线程安全策略​​》，作者：冰 河 。

一、不可变对象

不可变对象需要满足的条件

（1）对象创建以后其状态就不能修改

（2）对象所有域都是final类型

（3）对象是正确创建的（在对象创建期间，this引用没有溢出）

对于不可变对象，可以参见JDK中的String类

final关键字：类、方法、变量

（1）修饰类：该类不能被继承，String类，基础类型的包装类（比如Integer、Long等）都是final类型。final类中的成员变量可以根据需要设置为final类型，但是final类中的所有成员方法，都会被隐式的指定为final方法。

（2）修饰方法：锁定方法不被继承类修改；效率。注意：一个类的private方法会被隐式的指定为final方法

（3）修饰变量：基本数据类型变量（数值被初始化后不能再修改）、引用类型变量（初始化之后则不能再指向其他的对象）

在JDK中提供了一个Collections类，这个类中提供了很多以unmodifiable开头的方法，如下：

Collections.unmodifiableXXX: Collection、List、Set、Map…

其中Collections.unmodifiableXXX方法中的XXX可以是Collection、List、Set、Map…

此时，将我们自己创建的Collection、List、Set、Map，传递到Collections.unmodifiableXXX方法中，就变为不可变的了。此时，如果修改Collection、List、Set、Map中的元素就会抛出java.lang.UnsupportedOperationException异常。

在Google的Guava中，包含了很多以Immutable开头的类，如下：

ImmutableXXX,XXX可以是Collection、List、Set、Map…

注意：使用Google的Guava，需要在Maven中添加如下依赖包：

<dependency>
  <groupId>com.google.guava</groupId>
  <artifactId>guava</artifactId>
  <version>23.0</version>
</dependency>

二、线程封闭

（1）Ad-hoc线程封闭：程序控制实现，最糟糕，忽略

（2）堆栈封闭：局部变量，无并发问题

（3）ThreadLocal线程封闭：特别好的封闭方法

三、线程不安全类与写法

1. StringBuilder -> StringBuffer

StringBuilder:线程不安全；

StringBuffer：线程不安全；

字符串拼接涉及到多线程操作时，使用StringBuffer实现

在一个具体的方法中，定义一个字符串拼接对象，此时可以使用StringBuilder实现。因为在一个方法内部定义局部变量进行使用时，属于堆栈封闭，只有一个线程会使用变量，不涉及多线程对变量的操作，使用StringBuilder即可。

2. SimpleDateFormat -> JodaTime

SimpleDateFormat:线程不安全，可以将其对象的实例化放入到具体的时间格式化方法中，实现线程安全

JodaTime：线程安全

SimpleDateFormat线程不安全的代码示例如下：

package io.binghe.concurrency.example.commonunsafe;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.text.ParseException;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;
@Slf4j
public class DateFormatExample 
    private static SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyyMMdd");
    //请求总数
    public static int clientTotal = 5000;
    //同时并发执行的线程数
    public static int threadTotal = 200;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
        for(int i = 0; i < clientTotal; i++)
            executorService.execute(() -> 
                try
                    semaphore.acquire();
                    update();
                    semaphore.release();
                catch (Exception e)
                    log.error("exception", e);
                
                countDownLatch.countDown();
            );
        
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
    
    public static void update()
        try 
            simpleDateFormat.parse("20191024");
         catch (ParseException e) 
            log.error("parse exception", e);
        
    

修改成如下代码即可。

package io.binghe.concurrency.example.commonunsafe;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.text.ParseException;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;
@Slf4j
public class DateFormatExample2 
    //请求总数
    public static int clientTotal = 5000;
    //同时并发执行的线程数
    public static int threadTotal = 200;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
        for(int i = 0; i < clientTotal; i++)
            executorService.execute(() -> 
                try
                    semaphore.acquire();
                    update();
                    semaphore.release();
                catch (Exception e)
                    log.error("exception", e);
                
                countDownLatch.countDown();
            );
        
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
    

    public static void update()
        try 
            SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyyMMdd");
            simpleDateFormat.parse("20191024");
         catch (ParseException e) 
            log.error("parse exception", e);
        
    

对于JodaTime需要在Maven中添加如下依赖包：

<dependency>
  <groupId>joda-time</groupId>
  <artifactId>joda-time</artifactId>
  <version>2.9</version>
</dependency>

示例代码如下：

package io.binghe.concurrency.example.commonunsafe;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.joda.time.DateTime;
import org.joda.time.format.DateTimeFormat;
import org.joda.time.format.DateTimeFormatter;

import java.text.ParseException;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;

@Slf4j
public class DateFormatExample3 
    //请求总数
    public static int clientTotal = 5000;
    //同时并发执行的线程数
    public static int threadTotal = 200;

    private static DateTimeFormatter dateTimeFormatter = DateTimeFormat.forPattern("yyyyMMdd");

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
        for(int i = 0; i < clientTotal; i++)
            final int count = i;
            executorService.execute(() -> 
                try
                    semaphore.acquire();
                    update(count);
                    semaphore.release();
                catch (Exception e)
                    log.error("exception", e);
                
                countDownLatch.countDown();
            );
        
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
    

    public static void update(int i)
        log.info(" - ", i, DateTime.parse("20191024", dateTimeFormatter));
    

3. ArrayList、HashSet、HashMap等Collections集合类为线程不安全类

4. 先检查再执行：if(condition(a))handle(a);

注意：这种写法是线程不安全的！！！！！

两个线程同时执行这种操作，同时对if条件进行判断，并且a变量是线程共享的，如果两个线程均满足if条件，则两个线程会同时执行handle(a)语句，此时，handle(a)语句就可能不是线程安全的。

不安全的点在于两个操作中，即使前面的执行过程是线程安全的，后面的过程也是线程安全的，但是前后执行过程的间隙不是原子性的，因此，也会引发线程不安全的问题。

实际过程中，遇到if(condition(a))handle(a);类的处理时，考虑a是否是线程共享的，如果是线程共享的，则需要在整个执行方法上加锁，或者保证if(condition(a))handle(a);的前后两个操作（if判断和代码执行）是原子性的。

四、线程安全-同步容器

1. ArrayList -> Vector, Stack

ArrayList:线程不安全；

Vector:同步操作，但是可能会出现线程不安全的情况，线程不安全的代码示例如下：

public class VectorExample 

    private static Vector<Integer> vector = new Vector<>();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        while (true)
            for(int i = 0; i < 10; i++)
                vector.add(i);
            
            Thread thread1 = new Thread(new Runnable() 
                @Override
                public void run() 
                    for(int i = 0; i < vector.size(); i++)
                        vector.remove(i);
                    
                
            );
            Thread thread2 = new Thread(new Runnable() 
                @Override
                public void run() 
                    for(int i = 0; i < vector.size(); i++)
                        vector.get(i);
                    
                
            );
            thread1.start();
            thread2.start();
        
    

Stack：继承自Vector，先进后出。

2. HashMap -> HashTable(Key, Value都不能为null)

HashMap：线程不安全；

HashTable：线程安全，注意使用HashTable时，Key, Value都不能为null；

3. Collections.synchronizedXXX(List、Set、Map)

注意：在遍历集合的时候，不要对集合进行更新操作。当需要对集合中的元素进行删除操作时，可以遍历集合，先对需要删除的元素进行标记，集合遍历结束后，再进行删除操作。例如，下面的示例代码：

public class VectorExample3 

    //此方法抛出：java.util.ConcurrentModificationException
    private static void test1(Vector<Integer> v1)
        for(Integer i : v1)
            if(i == 3)
                v1.remove(i);
            
        
    
    //此方法抛出：java.util.ConcurrentModificationException
    private static void test2(Vector<Integer> v1)
        Iterator<Integer> iterator = v1.iterator();
        while (iterator.hasNext())
            Integer i = iterator.next();
            if(i == 3)
                v1.remove(i);
            
        
    
    //正常
    private static void test3(Vector<Integer> v1)
        for(int i = 0; i < v1.size(); i++)
            if(i == 3)
                v1.remove(i);
            
        
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        Vector<Integer> vector = new Vector<>();
        vector.add(1);
        vector.add(2);
        vector.add(3);

        //test1(vector);
        //test2(vector);
        test3(vector);
    

五、线程安全-并发容器J.U.C

J.U.C表示的是java.util.concurrent报名的缩写。

1. ArrayList -> CopyOnWriteArrayList

ArrayList:线程不安全；

CopyOnWriteArrayList:线程安全；

写操作时复制，当有新元素添加到CopyOnWriteArrayList数组时，先从原有的数组中拷贝一份出来，然后在新的数组中进行写操作，写完之后再将原来的数组指向到新的数组。整个操作都是在锁的保护下进行的。

CopyOnWriteArrayList缺点：

（1）每次写操作都需要复制一份，消耗内存，如果元素特别多，可能导致GC；

（2）不能用于实时读的场景，适合读多写少的场景；

CopyOnWriteArrayList设计思想：

（1）读写分离

（2）最终一致性

（3）使用时另外开辟空间，解决并发冲突

注意：CopyOnWriteArrayList读操作时，都是在原数组上进行的，不需要加锁，写操作时复制，当有新元素添加到CopyOnWriteArrayList数组时，先从原有的集合中拷贝一份出来，然后在新的数组中进行写操作，写完之后再将原来的数组指向到新的数组。整个操作都是在锁的保护下进行的。

2.HashSet、TreeSet -> CopyOnWriteArraySet、ConcurrentSkipListSet

CopyOnWriteArraySet:线程安全的，底层实现使用了CopyOnWriteArrayList。

ConcurrentSkipListSet：JDK6新增的类，支持排序。可以在构造时，自定义比较器，基于Map集合。在多线程环境下，ConcurrentSkipListSet中的contains()方法、add()、remove()、retain()等操作，都是线程安全的。但是，批量操作，比如：containsAll()、addAll()、removeAll()、retainAll()等操作，并不保证整体一定是原子操作，只能保证批量操作中的每次操作是原子性的，因为批量操作中是以循环的形式调用的单步操作，比如removeAll()操作下以循环的方式调用remove()操作。如下代码所示：

//ConcurrentSkipListSet类型中的removeAll()方法的源码
public boolean removeAll(Collection<?> c) 
  // Override AbstractSet version to avoid unnecessary call to size()
  boolean modified = false;
  for (Object e : c)
    if (remove(e))
      modified = true;
  return modified;

所以，在执行ConcurrentSkipListSet中的批量操作时，需要考虑加锁问题。

注意：ConcurrentSkipListSet类不允许使用空元素(null)。

3. HashMap、TreeMap -> ConcurrentHashMap、ConcurrentSkipListMap

ConcurrentHashMap:线程安全，不允许空值

ConcurrentSkipListMap：是TreeMap的线程安全版本，内部是使用SkipList跳表结构实现

4.ConcurrentSkipListMap与ConcurrentHashMap对比如下

（1）ConcurrentSkipListMap中的Key是有序的，ConcurrentHashMap中的Key是无序的；

（2）ConcurrentSkipListMap支持更高的并发，对数据的存取时间和线程数几乎无关，也就是说，在数据量一定的情况下，并发的线程数越多，ConcurrentSkipListMap越能体现出它的优势。

注意：在非对线程下尽量使用TreeMap，另外，对于并发数相对较低的并行程序，可以使用Collections.synchronizedSortedMap，将TreeMap进行包装；对于高并发程序，使用ConcurrentSkipListMap提供更高的并发度；在多线程高并发环境中，需要对Map的键值对进行排序，尽量使用ConcurrentSkipListMap。

六、安全共享对象的策略-总结

（1）线程限制：一个被线程限制的对象，由线程独占，并且只能被占有它的线程修改

（2）共享只读：一个共享只读的对象，在没有额外同步的情况下，可以被多个线程并发访问，但是任何线程都不能修改它。

（3）线程安全对象：一个线程安全的对象或者容器，在内部通过同步机制来保证线程安全，所以其他线程无需额外的同步就可以通过公共接口随意访问它

（4）被守护对象：被守护对象只能通过获取特定的锁来访问

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