Java并发编程概念介绍

Posted 2020-10-16

在构建稳健的并发程序时，必须正确使用线程和锁。但是这终归只是一些机制。要编写线程安全的代码，其核心在于要对状态访问操作进行管理，特别是对共享的（Shared）和可变的（Mutable）状态的访问。

 

对象的状态是指存储在状态变量（例如实例或静态域）中的数据。

 

对象的状态可能包括其他依赖对象的域。比如某个HashMap的状态不仅是HashMap对象本身，还存储在许多Map.Entry对象中。

 

"共享"意味着变量可以由多个线程同时访问，而"可变"则意味着变量的值在其生命周期内可以变化。

线程安全性在于如何防止数据上发生不可控的并发访问。

 

一个对象是否需要是线程安全的，取决于它是否被多个线程访问。

 

要使对象是线程安全的，需要采用同步机制来协同对对象可变状态的访问。如果无法实现协同，那么可能导致数据破坏以及其他不该出现的结果。

 

协同多个线程对变量访问的同步机制主要有：

1. 关键字synchronized

2. 关键字volatile

3. 显式锁（Explicit Lock）

4. 原子变量

 

协同多线程访问一个可变的状态变量的方法有：

1. 不在线程之间共享该状态变量

2. 将状态变量修改为不可变的变量

3. 在访问状态变量时使用同步

 

 

什么是线程安全？

一个类在多线程环境下被访问，这个类始终能表现出正确的行为，那么就称这个类是线程安全的。

 

在线程安全类中往往都封装了必要的同步机制，因此客户端无须进一步采取措施。

 

无状态的对象一定是线程安全的。

 

无状态可以极大降低类在实现线程安全性时的复杂性。只有当类在保存一些信息的时候，线程安全才会成为一个问题。

 

原子性

 

当一个操作被CPU无可分割地执行时就是原子操作。

典型的非原子性操作就是a++，但是实际上这是一个"读取—修改—写入"的操作序列，并且结果状态依赖于之前的状态。

 

在并发编程中，由于不恰当的执行顺序而出现不正确的结果是一种非常重要的情况，就是竞态条件（Race Condition）。

 

竞态条件

当某个计算的正确性取决于多个线程的交替执行时序时，那么就会发生竞态条件。最常见的竞态条件就是"先检查后执行（Check-Then-Act）"操作，即通过一个可能失效的观测结果来决定下一步的动作。比如延迟初始化的单例模式。

 

复合操作

 

要避免竞态条件的问题，就必须在某个线程修改该变量时，通过某种方式防止其他线程使用这个变量，从而确保其他线程只能在修改操作完成或者之后读取和修改状态，而不是在修改状态的过程中。为了确保安全性，"先检查后执行"（例如延迟初始化）和"读取—修改—写入"（如递增运算）等必须是原子的。我们把"先检查后执行"（例如延迟初始化）和"读取—修改—写入"等操作统称为复合操作：包含了一组必须以原子方式执行的操作以确保线程安全性。

 

复合操作

加锁机制

内置锁

同步代码块

重入