什么时候线程不安全？怎样做到线程安全？怎么扩展线程安全的类？

小Hub领读：

并发业务中，线程安全与否很重要，来看看你懂多少？

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作者：爬蜥

https://juejin.im/post/5b7d68f66fb9a019d80a9002

当多个线程去访问某个类时，如果类会表现出我们预期出现的行为，那么可以称这个类是线程安全的。

什么时候会出现线程不安全？

操作并非原子。多个线程执行某段代码，如果这段代码产生的结果受不同线程之间的执行时序影响，而产生非预期的结果，即发生了竞态条件，就会出现线程不安全;

常见场景：

1. count++。它本身包含三个操作，读取、修改、写入，多线程时，由于线程执行的时序不同，有可能导致两个线程执行后 count 只加了 1，而原有的目标确实希望每次执行都加 1；

2. 单例。多个线程可能同时执行到instance == null成立，然后新建了两个对象，而原有目标是希望这个对象永远只有一个；

public MyObj getInstance(){
   if (instance == null){
        instance = new MyObj();
   }
    return instance
 }

解决方式是：当前线程在操作这段代码时，其它线程不能对进行操作

常见方案：

1. 单个状态使用 java.util.concurrent.atomic 包中的一些原子变量类，注意如果是多个状态就算每个操作是原子的，复合使用的时候并不是原子的；

2. 加锁。比如使用 synchronized 包围对应代码块，保证多线程之间是互斥的，注意应尽可能的只包含在需要作为原子处理的代码块上；

synchronized 的可重入性

当线程要去获取它自己已经持有的锁是会成功的，这样的锁是可重入的，synchronized 是可重入的

class Paxi {
   public synchronized  void sayHello(){
       System.out.println("hello");
   }
}

class  MyClass extends Paxi{
   public synchronized void  dosomething(){
       System.out.println("do thing ..");
       super.sayHello();
       System.out.println("over");
   }
}

它的输出为

do thing ..
hello
over
复制代码

• 修改不可见。读线程无法感知到其它线程写入的值

常见场景：

1. 重排序。在没有同步的情况下，编译器、处理器以及运行时等都有可能对操作的执行顺序进行调整，即写的代码顺序和真正的执行顺序不一样, 导致读到的是一个失效的值

2. 读取 long、double 等类型的变量。JVM 允许将一个 64 位的操作分解成两个 32 位的操作，读写在不同的线程中时，可能读到错误的高低位组合

常见方案：

1. 加锁。所有线程都能看到共享变量的最新值；

2. 使用 Volatile 关键字声明变量。只要对这个变量产生了写操作，那么所有的读操作都会看到这个修改;

注意：Volatile 并不能保证操作的原子性，比如count++操作同样有风险，它仅保证读取时返回最新的值。使用的好处在于访问 Volatile 变量并不会执行加锁操作，也就不会阻塞线程。

不同步的情况下如何做到线程安全？

1. 线程封闭。即仅在单线程内访问数据，线程封闭技术有以下几种：

• Ad-hoc 线程封闭。即靠自己写程序来实现，比如保证程序只在单线程上对 volatile 进行 读取-修改-写入

• 栈封闭。所有的操作都反生执行线程的栈中，比如在方法中的一个局部变量

• ThreadLocal 类。内部维护了每个线程和变量的一个独立副本

1. 只读共享。即使用不可变的对象。

• 使用 final 去修饰字段，这样这个字段的 “值” 是不可改变的

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注意 final 如果修饰的是一个对象引用，比如 set, 它本身包含的值是可变的

• 创建一个不可变的类，来包含多个可变的数据。

 class OneValue{
    //创建不可变对象，创建之后无法修改，事实上这里也没有提供修改的方法
     private final BigInteger  last;
     private final BigInteger[] lastfactor;
     public OneValue(BigInteger  i,BigInteger[] lastfactor){
        this.last=i;
        this.lastfactor=Arrays.copy(lastfactor,lastfactor.length);
     }
    public BigInteger[] getF(BigInteger  i){
         if(last==null || !last.equals(i)){
             return null;
         }else{
             return Arrays.copy(lastfactor,lastfactor.length)
         }
    }
 }
 class MyService {
    //volatile使得cache一经更改，就能被所有线程感知到
    private volatile OneValue cache=new OneValue(null,null);
    public void handle(BigInteger i){
        BigInteger[] lastfactor=cache.getF(i);
        if(lastfactor==null){
           lastfactor=factor(i);
           //每次都封装最新的值
           cache=new OneValue(i,lastfactor)
        }
        nextHandle(lastfactor)
    }
 }

如何构造线程安全的类？

1. 实例封闭。将一个对象封装到另一个对象中，这样能够访问被封装对象的所有代码路径都是已知的，通过合适的加锁策略可以确保被封装对象的访问是线程安全的。

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java 中的 Collections.synchronizedList 使用的原理就是这样。部分代码为

public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list) {
        return (list instanceof RandomAccess ?
                new SynchronizedRandomAccessList<>(list) :
                new SynchronizedList<>(list));
    }
复制代码

SynchronizedList 的实现, 注意此处用到的 mutex 是内置锁

    static class SynchronizedList<E>
        extends SynchronizedCollection<E>
        implements List<E> {
        private static final long serialVersionUID = -7754090372962971524L;

        final List<E> list;
       public E get(int index) {
            synchronized (mutex) {return list.get(index);}
        }
        public E set(int index, E element) {
            synchronized (mutex) {return list.set(index, element);}
        }
        public void add(int index, E element) {
            synchronized (mutex) {list.add(index, element);}
        }
        public E remove(int index) {
            synchronized (mutex) {return list.remove(index);}
        }
    }
复制代码

mutex 的实现

static class SynchronizedCollection<E> implements Collection<E>, >Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 3053995032091335093L;
    final Collection<E> c;  // Backing Collection
    final Object mutex;     // Object on which to synchronize
    SynchronizedCollection(Collection<E> c) {
        if (c==null)
        throw new NullPointerException();
        this.c = c;
        mutex = this; // mutex实际上就是对象本身
        }

什么是监视器模式

java 的监视器模式，将对象所有可变状态都封装起来，并由对象自己的内置锁来保护, 即是一种实例封闭。比如 HashTable 就是运用的监视器模式。它的 get 操作就是用的 synchronized，内置锁，来实现的线程安全

public synchronized V get(Object key) {
    Entry tab[] = table;
    int hash = hash(key);
    int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
    for (Entry<K,V> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
        if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
            return e.value;
        }
    }
    return null;
}

• 内置锁

每个对象都有内置锁。内置锁也称为监视器锁。或者可以简称为监视器
线程执行一个对象的用 synchronized 修饰的方法时，会自动的获取这个对象的内置锁，方法返回时自动释放内置锁，执行过程中就算抛出异常也会自动释放。
以下两种写法等效:

synchronized void myMethdo(){
   //do something
}
void myMethdo(){
   synchronized(this){
   //do somthding
   }
   
}

官方文档

• 私有锁

public class PrivateLock{
   private Object mylock = new Object(); //私有锁
   void myMethod(){
       synchronized(mylock){
           //do something
       }
   }
}

它也可以用来保护对象，相对内置锁，优势在于私有锁可以有多个，同时可以让客户端代码显示的获取私有锁

• 类锁

在 staic 方法上修饰的，一个类的所有对象共用一把锁

1. 把线程安全性委托给线程安全的类

如果一个类中的各个组件都是线程安全的，该类是否要处理线程安全问题？

视情况而定。

1. 只有单个组件，且它是线程安全的。

public class DVT{
   private final ConcurrentMap<String,Point> locations;
   private final Map<String,Point> unmodifiableMap;
       
   public DVT(Map<String,Point> points){
       locations=new ConcurrentHashMap<String,Point>(points);
       unmodifiableMap=Collections.unmodifiableMap(locations);
       }
       
   public Map<String,Point> getLocations(){
       return unmodifiableMap;
       }
       
   public Point getLocation(String id){
       return locations.get(id);
       }
       
   public void setLocation(String id,int x,int y){
       if(locations.replace(id,new Point(x,y))==null){
           throw new IllegalArgumentException("invalid "+id);
           }
       }
       
   }
   
   public class Point{
       public final int x,y;
       public Point(int x,int y){
           this.x=x;
           this.y=y;
       }
   }

线程安全性分析

• Point 类本身是无法更改的，所以它是线程安全的，DVT 返回的 Point 方法也是线程安全的

• DVT 的方法 getLocations 返回的对象是不可修改的，是线程安全的

• setLocation 实际操作的是 ConcurrentHashMap 它也是线程安全的

综上，DVT 的安全交给了‘locations’，它本身是线程安全的，DVT 本身虽没有任何显示的同步，也是线程安全。这种情况下，就是 DVT 的线程安全实际是委托给了‘locations’, 整个 DVT 表现出了线程安全。

1. 线程安全性委托给了多个状态变量
   只要多个状态变量之间彼此独立，组合的类并不会在其包含的多个状态变量上增加不变性。依赖的增加则无法保证线程安全

public class NumberRange{
private final AtomicInteger lower = new AtomicInteger(0);
private final AtomicInteger upper = new AtomicInteger(0);
   
   public void setLower(int i){
   //先检查后执行，存在隐患
   if (i>upper.get(i)){
       throw new IllegalArgumentException('can not ..');
       }
       lower.set(i);
           
       }
           
   public void setUpper(int i){
   //先检查后执行，存在隐患
       if(i<lower.get(i)){
       throw new IllegalArgumentException('can not ..');
       }
       upper.set(i);
       }
           
   }

setLower 和 setUpper 都是‘先检查后执行’的操作，但是没有足够的加锁机制保证操作的原子性。假设原始范围是 (0,10), 一个线程调用 setLower(5), 一个设置 setUpper(4) 错误的执行时序将可能导致结果为(5,4)

如何对现有的线程安全类进行扩展？

假设需要扩展的功能为 ‘没有就添加’。

1. 直接修改原有的代码。但通常没有办法修改源代码

2. 继承。继承原有的代码，添加新的功能。但是同步策略保存在两份文件中，如果底层同步策略变更，很容易出问题

3. 组合。将类放入一个辅助类中，通过辅助类的操作代码。比如扩展 Collections.synchronizedList。期间需要注意锁的机制，错误方式为

   public class ListHelper<E>{
       public List<E> list=Collections.synchronizedList(new ArrayList<E>());
       ...
       public synchronized boolean putIfAbsent(E x){
           boolean absent = !list.contains(x);
           if(absent){
              list.add(x);
           }
           return absent;
       }
   }

这里的 putIfAbsent 并不能带来线程安全，原因是 list 的内置锁并不是 ListHelper, 也就是 putIfAbsent 相对 list 的其它方法并不是原子的。Collections.synchronizedList 是锁在 list 本身的，正确方式为

public  boolean putIfAbsent(E x){
   synchronized(list){
       boolean absent = !list.contains(x);
       if(absent){
           list.add(x);
       }
       return absent;
   }
}

另外可以不管要操作的类是否是线程安全，对类统一添加一层额外的锁。实现参考 Collections.synchronizedList 方法

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(完)

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