并发编程技术「技术辩证分析」在并发编程模式下进行线程安全以及活跃性问题简析

Posted 2023-01-13 洛神灬殇

什么是线程安全？

线程安全，有两个重要的特征说明：“共享”和“可变”。

• 共享是指可以被多个线程同时访问；

• 可变是指变量的值在生命周期内是可以变化的；

如何实现线程安全

• 一个对象是否需要线程安全的，取决于它是否被多个线程访问；

• 如何保证一个对象的线程安全，则需要采用同步机制来协同对对象可变状态的访问；

• 给线程安全下一个明确的定义：当多个线程访问这个对象或者资源时，如果这个对象或资源始终都能表现出数据的一致性的状态，那么就称这个对象或者资源是线程安全的；

数据资源的有无状态化

• 无状态的对象一定是线程安全的。

• 有状态的对象，多线程环境下，多个线程共享资源，且进行的不是原子性操作，这个时候就要考虑线程的安全控制问题

比如：count++，其实是不具备原子性的，因为这个步骤实际会被拆分为三个步骤，即 读取、修改和写入，而这三个步骤有可能在某个时刻因CPU时间片的切换问题，而只执行其中一两个步骤，这就不具备原子性。

原子化能力支持

在Java中，为了解决这个问题，java.util.concurrent.atomic包提供了很多的类，来保证数据操作的原子性，比如我们之前的程序可以修改为

• 基本数据类型 AtomicInteger

• 数组类型 AtomicIntegerArray

AtomicInteger integer = new AtomicInteger(0);
integer.incrementAndGet()

内部的原理是采用了CAS机制

那么什么是CAS机制？

CAS有人翻译为Compare And Set或Compare And Swap都是正确的。

多线程并发执行的状态下，锁的状态改变，基本都是使用CAS原理，它有一个比较别扭的叫法“CPU硬件同步原语”，算法是基于CPU硬件的，原子性操作，不会被其他线程打断。

CAS的算法，比较当前值和期望的值是否相等，如果相等，则将当前值赋予一个新值。

再比如修改一个Boolean的类型的变量的值，我们也可以采用

private AtomicBoolean atomicBoolean = new AtomicBoolean(false);
public void lock()
    //期望是false，如果是false，则可以修改为true
    atomicBoolean.compareAndSet(false, true);

同步锁机制支持

只要程序中存在“先判断，再更新”，那么就要保证这两个操作在一个原子操作里面，才能保证线程安全。

public synchronized int getCount()
    return count++;

Java锁机制的一些特点

监视锁、互斥锁、可重入锁都是在这个锁的特点。

• 监视锁：java的每一个对象都可以用来做监视锁，也就是为什么我们的wait、notify方法定义在Object类的原因。

• 互斥锁：表示最多只有一个线程可以持有这把锁。

• 可重入锁：是指当线程A请求一个由线程B持有的锁时，线程B会进入阻塞状态；而如果线程A如果再访问另一段代码，而这个代码的锁是已经被线程A持有的，这个时候请求是可以成功的，这就叫可重入。

Java锁机制的简单原理

JVM为每个锁设置两个属性，获取计数值和所有者线程，当计数值为0时，这个锁就被认为是没有被任何线程持有，当线程请求一个未被持有的锁时，JVM将记录锁的持有者，并且计数值+1。

如果同一个线程再次获取这个锁，则计数值将递增，而当线程退出同步代码块时，计数器会相应递减，当计数值为0，这个锁将被释放。

活跃性问题

承接上面解决安全性的问题分析，锁机制会存在活跃性问题，比如：死锁，饥饿，活锁，这些都是属于活跃性问题。

死锁

多个线程，各自占对方的资源，都不愿意释放，从而造成死锁，A线程需要等待的锁被B线程占用，而B线程需要的等待的锁被A线程占用，所以相互都不释放，于是就陷入了死锁。

饥饿

多个线程访问同一个同步资源，有些线程总是没有机会得到互斥锁，这种就叫做饥饿。

出现饥饿的三种情况

1. 高优先级的线程吞噬了低优先级的线程的CPU时间片

   • 理论上来说，线程优先级高的线程会比线程优先级低的线程获得更多的执行机会，但是java的线程优先级不是绝对出现这样的效果。

   • 一般而言：优先级高的出现频率会比优先级低的高很多

   • 不同的操作系统对线程的优先级支持是不同的，规定是在1-10之间，java通过3个常量来屏蔽这种操作系统的底层差异化。

2. 线程被永久阻塞在等待进入同步代码块的状态

3. 等待的线程永远不被唤醒

建议大家采用公平锁来代替synchronized这种互斥锁

活锁

两个人在走廊上碰见，大家都互相很有礼貌，互相礼让，A从左到右，B也从从左转向右，发现又挡住了地方，继续转换方向，但又碰到了，反反复复，一直没有机会运行下去。