多线程构建线程安全的类

Posted 2020-08-09

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了多线程构建线程安全的类相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

构建线程安全的类
- volatile
  - 只保证数据可见性，不保证数据同步。也就是说，JVM只保证使用了volatile的数据变更后对所有线程暴露最新值，并不会对线程内部缓存数据的操作多限制。多线程同时变更某个共享的volatile数据并不会产生正确结果。
- 在满足以下条件时，可使用volatile：
  - 1.写入变量时并不依赖变量当前值；或者能确保只有单一的线程修改变量的值。
  - 2.变量不需要与其他变量共同参与不变约束。
  - 3.访问变量时，没有其他原因需要加锁。
- long和double
  - 64位数据，分为上下32位两部分，其操作不是原子操作。
- 发布
  - 一个对象能够被当前范围之外的代码所使用。
  - 不要在构造函数中发布对象和启动线程。
- 逸出
  - 一个对象在尚未准备好时就被发布了。此时类对象可能已经分配了空间（不为null），但是内部数据还未完成初始化。
- 安全发布模式
  - 通过静态初始化器初始化对象引用；
  - 将它的引用存储到volatile或者atomicReference；
  - 将它的引用存储到正确创建的final域中，或者存储到由锁保护的域中。
- 安全共享对象
  - 线程限制:一个线程限制的对象，被线程独占，且只能被占有它的线程修改（比如ThreadLocal类型数据）。
  - 共享只读:一个共享的只读对象。
  - 共享线程安全:一个线程安全的对象在内部进行同步，所以其他线程无需额外同步就可以访问。
  - 被守护的（guarded）:被锁保护的已发布对象。
- 线程安全的组合对象
  - 制订同步策略（如何在不违反不可变约束的情况下，协调其他线程对对象的访问。）并文档化。
  - 实例限制
    - 对象被封装在另一个对象中（如hashset中的对象），把对被封装对象的访问限制转换为对封装对象（hashset实例）的封装数据访问路径的限制。
  - java监视器模式（java内部锁）
    - 通过锁来实现。
  - 委托线程安全
    - 如果一个类由多个彼此独立的线程安全的状态变量组成，而且类的操作不包含任何无效状态的转换（比如check-then-act），可以讲线程安全委托给这些状态变量。
  - 扩展线程安全的类
    - 以组合对象的内部锁代替对待扩展对象的锁模拟。
避免活跃度风险
- 死锁
  - 锁顺序死锁（lock-ordering deadlock）
    - 如果所有线程以通用的固定顺序获得锁，就不会出现锁顺序死锁。
    - method（A,B）参数所代表的实例可能是同一实例但是顺序不同。比如转账，从我-他和从他-我时，锁顺序是不同的。
  - 资源死锁（resource deadlock）
    - 线程互相等待和持有对方所需的资源
  - 协作对象间死锁
    - 在持有锁的时候调用外部方法是在挑战活跃度问题。外部方法可能会获得其他锁（产生死锁风险），或者遭遇严重超时阻塞。当你持有锁的时候会延迟其他视图获得该锁的线程。
- 开放调用
  - 不会产生锁问题。
- 避免和诊断死锁
  - 尝试定时的锁
    - 如果锁是在嵌套方法中获取的，你无法仅仅释放外层的锁。
  - 通过线程转储（thread dump）分析死锁
    - unix:kill-3或者ctrl-\，windows:ctrl-break。jdk版本5下显示的lock不会转储，jdk版本6下会有粗略的信息
- 其他活跃度危险（、丢失信号、活锁）
  - 饥饿（starvation）
    - 无尽等待资源。
  - 弱响应性
    - 与其他线程竞争资源造成响应性不良。
  - 活锁（livelock）
    - 未发生死锁但是由于不断重复错误场景而造成无法响应，通过随机等待和撤回来避免。
性能和可伸缩性
- 避免不成熟的优化:首先使程序正确，然后再加快。
- 阿姆达尔定律（amdahl定律）
  - S=1/(1-A+A/N)
  - A为并行计算部分所占比例，N为并行处理节点数。
  - 1-a=0（只有并行）最大加速比为N；
  - 当a=0时（只有串行）最小加速比S=1；
  - 当N趋近于无穷大时，计算加速比s->1/(1-A)，也就是加速比上限。
- 线程引入的开销
  - 切换上下文:竞争CPU和数据缓存
  - 内存同步:存储关卡（memory barrier）指令-刷新缓存，使缓存无效，刷新硬件的写缓冲，并延迟执行的传递（存储关卡中，大多数操作不能被重排序）。
  - 阻塞：被阻塞的线程可能自旋等待或者挂起，自旋更适合短期等待，挂起适合长期等待。
  - 大多数通用处理器中，上下文切换开销相当于5k-10k个时钟周期，或者几微秒。
- 减少锁竞争（锁被请求频率*锁的持有时间）
  - 减少持有锁的时间。
  - 减少请求锁的频率或者协调机制取代独占锁，从而提高并发性。
  - 缩小锁的范围:把与锁无关代码移出synchronized块，尤其是阻塞操作，如I/O操作。
  - 减小锁的粒度:通过分拆锁（lock splitting）、分离锁（lock striping）实现。但是需要对容器进行加锁的独占的访问时，会更困难，比如ConcurrentHashMap的值需要扩展、重排时。
  - 避免热点域
  - 独占锁的替代：并发容器，读写锁，不可变对象，原子变量。
- 检测CPU利用率
  - 不充足的负载
  - IO限制：可以通过iostat或者perfmon判断一个程序是否受限于磁盘，或者通过网络监测是否受限于带宽。
  - 外部限制：比如数据库、webservice等。
  - 锁竞争。
  - 对象池：需要考虑频繁创建对象带来的gc压力与池技术带来的锁切换之间的性能对比。