线程安全

Posted 2022-03-11 yjxyy

??多个线程不管以何种方式访问某个类，并且在调用的代码中不用进行同步，都能够表现正确的行为。那么就说线程是安全的。

线程安全有以下几种实现方式：

1.不可变

??不可变（immutable）的对象一定是线程安全的，不需要再采取任何的安全保护措施。只要一个不可变的对象构造出来，它在任何线程中都是一致的。多线程环境下，应尽量使对象成为不可变，来满足线程安全。

不可变的类型有：

??final修饰的变量。

??String

??枚举类型

??Number的部分子类，如Long和Double等数值包装类型，BigIntger和BigDecimal等大数据类型，但是原子类AtomicInteger和AtomicLong则是可变的。

??对于集合类型，可以使用Collections.unmodifiable()方法来获取一个不可变的集合。

package ConcurrentExemple;

import java.util.Collections;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class ImmutableExemple 
    public static void main(String[]args)
        Map<String,Integer>map=new HashMap<>();
        Map<String,Integer> immutableMap= Collections.unmodifiableMap(map);
        immutableMap.put("map",2);

    

Exception in thread "main" java.lang.UnsupportedOperationException
    at java.base/java.util.Collections$UnmodifiableMap.put(Collections.java:1455)
    at ConcurrentExemple.ImmutableExemple.main(ImmutableExemple.java:11)

2.互斥同步

??synchronized和ReentrantLock

3.非阻塞同步

??互斥同步最主要的问题就是线程阻塞和唤醒所带来的性能问题，因此这种同步也称为阻塞同步。

??互斥同步属于一种悲观并发策略，总是认为只要不做正确的同步措施，那就肯定会出现不安全，无论共享数据是否出现竞争，它都会进行加锁。

1.CAS

??随着硬件指令集的发展，我们可以使用基于冲突检测的乐观并发策略：先进行操作，如果没有其他的线程争用数据，那就成功了，否则要采取补偿措施（不断的重试，直到成功）。这种乐观的并发策略的许多实现都不需要将线程阻塞，因此称为非阻塞同步。

??乐观锁需要操作和冲突检测这两个步骤具备原子性，这里就不能再使用互斥同步来保证，只能靠硬件来保证，硬件原子性操作最典型的是:比较并交换（compare-and-swap）。CAS指令需要有三个操作数，分别是内存地址V，旧的预期值A和新值B。当执行操作时，只有当V的值等于A，才将V的值更新为B。

2.AtomicInteger

??J.U.C 包里面的整数原子类 AtomicInteger 的方法调用了 Unsafe 类的 CAS 操作。以下代码使用了 AtomicInteger 执行了自增的操作。

private AtomicInteger cnt=new AtomicInteger;
public void add()
    cnt.incrementAndGet();

public final int incrementAndGet()
    return unsafe.getAndAddInt(this,valueOffset,1)+1

??以下代码是 getAndAddInt() 源码，var1 指示对象内存地址，var2 指示该字段相对对象内存地址的偏移，var4 指示操作需要加的数值，这里为 1。通过 getIntVolatile(var1, var2) 得到旧的预期值，通过调用 compareAndSwapInt() 来进行 CAS 比较，如果该字段内存地址中的值等于 var5，那么就更新内存地址为 var1+var2 的变量为 var5+var4。可以看到 getAndAddInt() 在一个循环中进行，发生冲突的做法是不断的进行重试。

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) 
    int var5;
    do 
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
     while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

    return var5;

3.ABA

??如果一个变量初次读取的时候是 A 值，它的值被改成了 B，后来又被改回为 A，那 CAS 操作就会误认为它从来没有被改变过。J.U.C 包提供了一个带有标记的原子引用类 AtomicStampedReference 来解决这个问题，它可以通过控制变量值的版本来保证 CAS 的正确性。大部分情况下 ABA 问题不会影响程序并发的正确性，如果需要解决 ABA 问题，改用传统的互斥同步可能会比原子类更高效