5线程安全的实现方式

Posted 2021-01-05 nevermorewang

　　了解了什么是线程安全之后，接下来就是如何实现线程安全。那么了解虚拟机提供的同步机制以及锁机制也就非常重要了。

1、互斥同步

　　互斥同步是指多个线程并发访问共享数据时，保证共享数据在同一时刻只被一个线程使用。在这个地方，互斥是因，同步是果；同步的实现方式是通过互斥来实现的；常见的互斥实现方式有：临界区（critical selection），互斥量(mutex)和信号量(semaphore)；

java中最基本的互斥手段就是synchronized关键字，synchronized经过编译之后，会在同步块前后分别形成monitorenter跟monitorexit两个字节码命令，这两个字节码都需要一个reference类型的参数来指明需要锁定和解锁的对象。如果synchronized明确指出了对象参数，那就是这个对象的引用，如果没有，那就根据所修饰的是实例方法还是类方法，去获取相应的对象实例或者class对象作为锁对象。

　　synchronized对同一线程是可重入的，不会出现自己把自己锁死的情况。同步块在执行结束前，会阻塞其它线程的进入。由于java的线程是要映射到操作系统的原生线程的，如果阻塞或者唤醒一个线程，都需要操作系统来帮助完成，这就需要从用户态转换为核心态，这个转换要消耗大量cpu时间，对于代码简单的同步块，可能这个时间要大于执行时间。因此说，synchronized是一个重量级操作，一般只在确实必要的情况下使用。当然，虚拟机对此也有一些优化，比如阻塞线程前先进性一段自旋等待。

我们还可以通过java.util.concurrent下的ReentrantLock来实现同步。相比synchronized，ReentrantLock提供了一些比较灵活高级的功能，主要有：

　　等待可中断：持有锁的线程长期不释放锁的时候，等待的线程可以选择放弃等待；

　　公平锁：多个线程获取锁的时候，必须按照申请锁的时间来依次获取锁；(严格排队，防止有的线程一直获取不到锁)

　　绑定多个条件：一个ReentrantLock对象可以绑定多个Condition对象，而在synchronized中，锁对象的wait()跟notify()可以实现一个隐含的条件，如果要和多余一个的条件关联时，就不得不额外加锁；ReentrantLock只需要多次new Condition()就可以了。

　　性能上，1.5的时候ReentrantLock略好，jdk1.6以后两者基本持平，而且虚拟机在优化上偏向于synchronized，因此性能不再是两者的考虑因素，都可以实现的情况下，优先synchronized。

2、非阻塞同步

　　互斥同步最主要的问题就是进行线程阻塞和唤醒所带来的性能问题，因此这种实现方式也叫阻塞同步。从处理问题的方式上来说，互斥同步属于一种悲观的并发策略。

随着硬件指令集的发展，我们有了另外的一个选择：基于冲突检测的乐观并发策略。也就是先进行操作，如果没有其它线程使用共享数据，那就操作成功；如果有，那就再采取补偿措施。这种方式不需要把线程挂起，因此称为：非阻塞同步(Non-Blocking Synchronization)。

　　所谓“硬件指令集”，就是指现代指令集中新增的CAS指令(Compare-And-Swap，比较并交换)。jdk1.5以后才有cas的相关操作，比如sun.misc.Unsafe类里边的compareAndSwapInt()方法等，虚拟机内部对这些方法做了处理，编译出来的结果就是一条平台相关的处理器 CAS指令。

　　尽管CAS看起来很美，但这种操作无法涵盖互斥同步的所有使用场景，并且CAS从语义上来说并不是完美的，因为存在一个逻辑漏洞：如果变量V初次读取的时候是a值，并且在准备赋值的时候还是a值，那我们就能判断V没有被其它线程修改过吗？显然不能，如果在这期间有线程把V修改为了b，又重新修改为了a，CAS就会认为没有被修改过，这个漏洞称为CAS的“ABA问题”。concurrent包提供了一个AtomicStampedReference来解决此问题，原理是通过设置版本号来保证正确性(数据库乐观锁，是不是很相似)，不过目前来说这个类有点“鸡肋”，大部分的ABA问题不会影响并发的正确性，如果需要解决ABA问题，使用互斥同步可能会比原子类更高效。

3、无同步方案

　　要保证线程安全，并不一定要进行同步。两者之间没有因果关系。同步只是一种保证共享数据争用时正确性的手段而已。有些代码是天生线程安全的，比如：

　　可重入代码：这种代码也叫纯代码。可以在代码执行的任何时刻中断它，转而执行另一段代码，而在控制权返回后，原程序不会有任何错误。可重入代码都有一些共同特征，比如：不依赖存储在堆上的数据和公用的系统资源、用到的状态量都由参数传入、不调用非可重入的方法等。

　　线程本地存储：如果一段代码中所需要的数据都完全包含在同一个线程中，如果能保证这一点，那就不会因为跟其它线程争抢修改资源而导致数据不一致，也就没有线程风险，是线程安全的。我们平常web开发中基本不考虑多线程干扰，就是因为web交互模型中的“一个请求对应一个服务器线程”的处理方式。