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 1. 同步訪問(wèn)共享數(shù)據(jù)

問(wèn)題

并發(fā)程序要比單線程程序的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，并且失敗難以重現(xiàn)。但是又無(wú)法避免采用多線程，因?yàn)椴捎枚嗑€程并發(fā)是能夠從多核計(jì)算機(jī)獲得最佳性能的一個(gè)有效途徑。在并發(fā)時(shí)，如果涉及到可變數(shù)據(jù)的時(shí)候，就是我們需要著重去思考的地方，在面對(duì)可變數(shù)據(jù)的并發(fā)訪問(wèn)的時(shí)候，有哪些方式可以保證線程安全性?

答案

• 當(dāng)一個(gè)對(duì)象被一個(gè)線程修改的時(shí)候，可以阻止另一個(gè)線程觀察到對(duì)象內(nèi)部不一致的狀態(tài);
• 同步不僅可以阻止一個(gè)線程看到對(duì)象處于不一致的狀態(tài)，還可以保證進(jìn)入同步方法或者同步代碼塊的每個(gè)線程，都看到由同一個(gè)鎖保護(hù)的之前所有的修改效果。

1.關(guān)鍵字synchronized：synchronized是保證線程安全的一大利器，它可以保證同一時(shí)刻，只有一個(gè)線程可以執(zhí)行某個(gè)方法和修改某一個(gè)可變數(shù)據(jù)，但是僅僅將它理解成是互斥的也是不完全正確的，它主要有兩種意義：

另外，java語(yǔ)言規(guī)范保證讀寫一個(gè)變量是原子的，除非這個(gè)變量是double或者long，即使沒(méi)有在保證同步的情況下也是如此。

考慮到這樣一個(gè)示例，線程通過(guò)輪詢標(biāo)志位而達(dá)到優(yōu)雅的停止線程的功能，示例代碼如下：

private static boolean stopRequested; 
    private static synchronized void requestStop() { 
        stopRequested = true; 
    } 
    private static synchronized boolean stopRequested() { 
        return stopRequested; 
    } 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
        Thread backgroundThread = new Thread(new Runnable() { 
            @Override 
            public void run() { 
                int i = 0; 
                while (!stopRequested()) { 
                    i++; 
                } 
            } 
        }); 
        backgroundThread.start(); 
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1); 
        requestStop(); 
    } 

可變數(shù)據(jù)也就是狀態(tài)變量stopRequested，被同步方法修改，這里也就是保證stopRequested被修改后，能夠被其他線程立即可見(jiàn)。

2.關(guān)鍵字volatile：volatile最重要的功能是能夠保證數(shù)據(jù)可見(jiàn)性，當(dāng)一個(gè)線程修改可變數(shù)據(jù)后，另一個(gè)線程會(huì)立刻知道最新的數(shù)據(jù)。在上面的例子中，因?yàn)閟topRequested變量的讀寫本身就是原子的，因此利用synchronized只是利用到它的數(shù)據(jù)可見(jiàn)性，但是由于synchronized會(huì)加鎖，如果想性能更優(yōu)的話，上面的例子就可以采用volatile進(jìn)行修改：

private static volatile boolean stopRequested;  
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
    Thread backgroundThread = new Thread(new Runnable() { 
        @Override 
        public void run() { 
            int i = 0; 
            while (!stopRequested) { 
                i++; 
            } 
        } 
    }); 
    backgroundThread.start(); 
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1); 
    stopRequested = true; 
} 

但是需要注意到volatile并不能保證原子性，例如下面的例子：

private static volatile int nextSerialNumber = 0;  
 public static int generateSerialNumber() { 
     return nextSerialNumber++; 
 } 

盡管使用了volatile，但是由于++運(yùn)算符不是原子的，因此在多線程的時(shí)候會(huì)出錯(cuò)。++運(yùn)算符執(zhí)行兩項(xiàng)操作：1、讀取值;2、寫回新值(相當(dāng)于原值+1)。如果第二個(gè)線程在第一個(gè)線程讀取舊值和寫會(huì)新值的時(shí)候讀取了這個(gè)域，就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，他們會(huì)得到相同的SerialNumber。這個(gè)時(shí)候就需要使用synchorized來(lái)使得線程間互斥訪問(wèn)，從而保證原子性。

總結(jié)

解決這一問(wèn)題的最好辦法其實(shí)是盡量避免在線程間共享可變數(shù)據(jù)，將可變數(shù)據(jù)限制在單線程中。如果想要多個(gè)線程共享可變數(shù)據(jù)，那么讀寫都需要進(jìn)行同步。

2.慎用創(chuàng)建線程的方式

問(wèn)題

由于并發(fā)程序很容易出現(xiàn)線程安全的問(wèn)題，并且線程的管理也是件很復(fù)雜的事情，所以當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)線程時(shí)，不要通過(guò)Thread的方式手動(dòng)創(chuàng)建，可以使用Executor框架進(jìn)行管理。Executor的優(yōu)點(diǎn)是什么?

答案

1. 等待任務(wù)執(zhí)行完成的方式多樣：當(dāng)前線程可以等待提交到executor中的線程集合全部執(zhí)行完成(invokeAll()或invokeAny()),也可以優(yōu)雅的等待結(jié)束(awaitTermination())，也可以在任務(wù)完成時(shí)逐個(gè)獲取這些任務(wù)的結(jié)果(利用ExecutorCompletionService)等等;
2. 創(chuàng)建多種類型的線程池：可以創(chuàng)建單個(gè)線程、固定的多個(gè)線程以及線程個(gè)數(shù)可變的線程池，也可以通過(guò)ThreadPoolExecutor類創(chuàng)建適合應(yīng)用場(chǎng)景的線程池;
3. 線程和執(zhí)行間的解耦：使用executor最大的好處在于將線程執(zhí)行機(jī)制和任務(wù)解耦開(kāi)，之前的Thread類既充當(dāng)了工作單元又是執(zhí)行機(jī)制，更好管理和使用起來(lái)更加安全可靠。

結(jié)論

在涉及到多線程程序時(shí)，不要使用Thread的方式創(chuàng)建線程，應(yīng)該使用executor來(lái)管理和創(chuàng)建線程，它最大的好處在于工作單元(線程)和任務(wù)之間的解耦。

3.優(yōu)先使用并發(fā)工具

問(wèn)題

高并發(fā)程序既很難保證線程安全的問(wèn)題，而且一旦出現(xiàn)問(wèn)題之后，也很難排錯(cuò)和分析出來(lái)原因。而j.u.c包中提供了很多線程安全的工具，應(yīng)該在實(shí)際開(kāi)發(fā)中多使用這些性能已經(jīng)得到了驗(yàn)證的工具，這使得我們的開(kāi)發(fā)能夠十分方便又能保證我們代碼的穩(wěn)定性。常用的并發(fā)工具有哪些?

答案

j.u.c包下的并發(fā)工具分為三類：1.負(fù)責(zé)管理線程的executor框架;2.并發(fā)集合;3.同步器。其中，負(fù)責(zé)管理線程的executor在第68條已經(jīng)說(shuō)過(guò)，不再單獨(dú)描述。

• 并發(fā)集合：并發(fā)集合針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的集合接口(如List、Queue和Map)做了進(jìn)一步的處理，提供了高性能的并發(fā)實(shí)現(xiàn)，常用的有CourrentHashMap，它就擴(kuò)展了Map接口并保證了線程安全。另外，BlockingQueue實(shí)現(xiàn)了可阻塞的操作，即當(dāng)隊(duì)列為空的時(shí)候，會(huì)阻塞“取數(shù)據(jù)”線程，直至隊(duì)列不為空位置，當(dāng)隊(duì)列滿時(shí)，會(huì)阻塞“插入數(shù)據(jù)”的線程，直至隊(duì)列未滿。BlockingQueue被廣泛的應(yīng)用在“生產(chǎn)者-消費(fèi)者”中;
• 同步器：同步器能夠完成線程之間的協(xié)調(diào)，最常用的有CountdownLatch和Semaphore，較不常用的有CyclicBarrier和Exechanger。

結(jié)論

j.u.c包下跟我們提供了多種保證線程安全的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在實(shí)際開(kāi)發(fā)中應(yīng)該使用這些性能和安全性已經(jīng)得到保證的工具，而不是重復(fù)造輪子，并且很難保證安全性。比如，在之前的代碼中“生產(chǎn)者-消費(fèi)者”使用wait和notify的方式去實(shí)現(xiàn)，代碼就很難維護(hù)，如果使用可阻塞操作的BlockingQueue代碼更加簡(jiǎn)潔，邏輯也更加清晰。

4.線程安全文檔化

問(wèn)題

有這樣幾種錯(cuò)誤的說(shuō)法：

這是兩種普遍錯(cuò)誤的觀點(diǎn)，事實(shí)上，線程安全性是有多種級(jí)別的，那么，應(yīng)該如何建立線程安全性的文檔?

1. 通過(guò)查看文檔是否出現(xiàn)synchronized修飾符，來(lái)判斷當(dāng)前方法是否是安全的。這種說(shuō)話的錯(cuò)誤在于，synchronized并不會(huì)通過(guò)javadoc輸出，成為api文檔的一部分，這是因?yàn)閟ynchronized是方法具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，并不屬于導(dǎo)出API和外界模塊通信的一部分;
2. “只要是加了synchronized關(guān)鍵字的方法或者代碼塊就一定是線程安全的，而沒(méi)有加這個(gè)關(guān)鍵字的代碼就不是線程安全的”。這種觀點(diǎn)將synchronized于線程安全等同起來(lái)，并且認(rèn)為線程安全只有兩種極端的情況，要么是線程安全的，要么是線程不安全的。

答案

• 不可變的(Immutable)：類的實(shí)例不可變(不可變類)，一定線程安全，如String、Long、BigInteger等。
• 無(wú)條件的線程安全(Unconditionally ThreadSafe)：該類的實(shí)例是可變的，但是這個(gè)類有足夠的的內(nèi)部同步。所以，它的實(shí)例可以被并發(fā)使用，無(wú)需任何外部同步，如Random和ConcurrentHashMap。
• 有條件的線程安全(Conditionally ThreadSafe)：某些方法需要為了線程安全需要在外部使用的時(shí)候進(jìn)行同步。如Collection.synchronized返回的集合，對(duì)它們進(jìn)行迭代時(shí)就需要外部同步。如下代碼，當(dāng)對(duì)synchronizeColletcion返回的 collection進(jìn)行迭代時(shí)，用戶必須手工在返回的 collection 上進(jìn)行同步，不遵從此建議將導(dǎo)致無(wú)法確定的行為：

Collection c = Collections.synchronizedCollection(myCollection); 
synchronized(c) { 
    Iterator i = c.iterator(); // Must be in the synchronized block 
    while (i.hasNext()) 
        foo(i.next()); 
} 

• 非線程安全(UnThreadSafe)：該類是實(shí)例可變的，如需安全地并發(fā)使用，必須外部手動(dòng)同步。如HashMap和ArrayList;
• 線程對(duì)立的(thread-hostile)：即便所有的方法都被外部同步保衛(wèi)，這個(gè)類仍不能安全的被多個(gè)線程并發(fā)使用。這種類或者方法非常少，比如System.runFinalizersOnExit方法是線程隊(duì)里的，但已經(jīng)廢除了。

1. 線程的安全性級(jí)別：
2. 在文檔中描述有條件的線程安全類要特別小心，必須指明哪個(gè)調(diào)用方法需要外部同步，并且需要獲得哪一把鎖;
3. 如果使用類使用的是“一個(gè)可公有訪問(wèn)的鎖對(duì)象”的話，很可能被其他線程超時(shí)地保持公有可訪問(wèn)鎖，而造成當(dāng)前線程一直無(wú)法獲得鎖對(duì)象，這種行為被稱為“拒絕服務(wù)攻擊”，為了避免這種攻擊可以采用 私有鎖對(duì)象，例如：

private final Object lock = new Object(); 
public void foo(){ 
    synchronized(lock){ 
        ... 
    } 
} 

這時(shí)，私有鎖對(duì)象只能被當(dāng)前類內(nèi)部訪問(wèn)到，并不能被外部訪問(wèn)到，因此不可能妨礙到當(dāng)前類的同步，就可以避免“拒絕服務(wù)攻擊”。但是，這種方式只適合“無(wú)條件線程安全”級(jí)別，并不能適用于“有條件性的線程安全”的級(jí)別，有條件的線程安全級(jí)別，必須在文檔中說(shuō)明，在調(diào)用方法時(shí)應(yīng)該獲得哪把鎖。

總結(jié)

每個(gè)類都應(yīng)該利用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f(shuō)明或者線程安全注解，清楚地在文檔中說(shuō)明它的線程安全屬性。有條件的線程安全類，應(yīng)該說(shuō)明哪些方法需要同步訪問(wèn)，以及獲得哪把鎖。無(wú)條件的線程安全類可以采用私有鎖對(duì)象來(lái)防止“拒絕服務(wù)攻擊”。涉及到線程安全的問(wèn)題，應(yīng)該嚴(yán)格按照規(guī)范編寫文檔。

5.慎用延遲初始化

• 問(wèn)題

延遲初始化(lazy initialization)是延遲到需要域的值時(shí)才將它初始化的這種行為。如果永遠(yuǎn)不需要這個(gè)值，這個(gè)域就永遠(yuǎn)不會(huì)被初始化。這種方法既適用于靜態(tài)域，也適用于實(shí)例域。和大多數(shù)優(yōu)化一樣，不成熟的優(yōu)化是大部分錯(cuò)誤的源頭。那么針對(duì)線程安全的延遲初始化有哪些可靠的方式?

• 答案

下面是正常初始化實(shí)例域的方式，但是要注意采用了final修飾符：

private final FildType field= computeFieldValue(); 

現(xiàn)在要對(duì)這個(gè)實(shí)例域進(jìn)行延遲初始化，有這樣幾種方式：

1.同步方法：在實(shí)例化域值得時(shí)候，可以使用同步方法從而保證線程安全性，如：

private FieldType field; 
synchronized FieldType getField(){ 
    if(field == null){ 
        field = computeFieldValues(); 
    } 
    return field; 
} 

2.靜態(tài)內(nèi)部類：為了減小上面這種方式的同步訪問(wèn)成本，可以采用靜態(tài)內(nèi)部類的方式，被稱之為lazy initialization holder class 模式。在jvm的優(yōu)化下，這種方式不僅可以達(dá)到延遲初始化的效果，也能保證線程安全。示例代碼為：

private static class FieldHolder{ 
    static final FieldType field = computeFieldValue(); 
} 
static FieldType getField(){ 
    return FieldType.field; 
} 

3.雙重檢測(cè)：這種模式避免了在初始化之后，再次訪問(wèn)這個(gè)域時(shí)的鎖定開(kāi)銷(在普通的方法里面，會(huì)使用synchronized對(duì)方法進(jìn)行同步，每次訪問(wèn)方法的時(shí)候都要進(jìn)行鎖定)。這種模式的思想是：兩次檢查域的值，第一次檢查時(shí)不鎖定，看看其是否初始化;第二次檢查時(shí)鎖定。只用當(dāng)?shù)诙螜z查時(shí)，表明其沒(méi)有被初始化，才會(huì)調(diào)用computeFieldValue方法對(duì)其進(jìn)行初始化。如果已經(jīng)被初始化了，就不會(huì)鎖定了，另外該域被聲明為volatile非常重要，示例代碼為：

private volatile FieldType field; 
public FieldType getField() { 
    FieldType result = field; 
    if (result == null) { 
        synchronized (this) { 
            result = field; 
            if (result == null) { 
                field = result = computeFieldValue(); 
            } 
        } 
    } 
    return result; 
} 

結(jié)論

大多數(shù)正常的初始化都要優(yōu)于延遲初始化。如果非要進(jìn)行延遲初始化的話，針對(duì)實(shí)例域采用雙重檢測(cè)方式，針對(duì)靜態(tài)域，可以利用靜態(tài)內(nèi)部類的第一次訪問(wèn)才進(jìn)行初始化的特性，使用靜態(tài)內(nèi)部類來(lái)完成延遲初始化。

6.不要依賴線程調(diào)度器

• 問(wèn)題

當(dāng)有多個(gè)線程運(yùn)行時(shí)，由線程調(diào)度器決定哪些線程將會(huì)運(yùn)行，分配CPU時(shí)間片。但是，在大多數(shù)系統(tǒng)采用的調(diào)度策略都是不太相同的，因此，任何依賴于線程調(diào)度器來(lái)達(dá)到程序性能和正確性的并發(fā)程序都是不安全和不可移植的。那么，在編寫可移植的，健壯性強(qiáng)的并發(fā)程序有哪些好的方法?

• 答案

1. 最好的方式是，保證可運(yùn)行的線程盡可能少，或不明顯高于處理器的數(shù)量。如果，可運(yùn)行的線程足夠少，對(duì)線程調(diào)度器而言就不需要“糾結(jié)”為哪個(gè)線程分配時(shí)間片，只需要讓多核處理器處理這些線程就好了。從側(cè)面來(lái)說(shuō)，就降低了對(duì)線程調(diào)度器的調(diào)度策略的依賴。那么，保證盡可能少的線程數(shù)唯一的方法就是，讓每個(gè)線程都做有意義任務(wù)，從整體而言，就會(huì)降低總線程的個(gè)數(shù);
2. 當(dāng)程序不正確的時(shí)候，是因?yàn)榫€程無(wú)法獲得足夠的時(shí)間片的話，不要企圖使用Thread.yield的方式，讓其他線程讓出時(shí)間片，來(lái)滿足自身的需求。這是因?yàn)椋煌腏VM上對(duì)Thread.yield語(yǔ)義的是不相同的，這樣就失去了可移值性。另外，在測(cè)試期間，使用Thread.yield人為地來(lái)增加線程并發(fā)性，應(yīng)該由Thread.sleep(1)來(lái)代替Thread.yield;
3. 千萬(wàn)不要企圖通過(guò)調(diào)整線程優(yōu)先級(jí)來(lái)達(dá)到程序的正確性，線程的優(yōu)先級(jí)是最不可移植的特性。

• 結(jié)論

千萬(wàn)不能讓程序依賴線程調(diào)度器，這樣會(huì)失去健壯性和可移植性。而Thread.yield和線程優(yōu)先級(jí)這些特性，是最不具有可移植性，程序中不應(yīng)該使用它們。

7.避免使用線程組

• 問(wèn)題

除了線程、鎖和監(jiān)視器外，線程系統(tǒng)還提供了另外一個(gè)抽象單元：線程組。線程組的設(shè)計(jì)初衷是作為隔離applet的機(jī)制，達(dá)到安全性。但是，實(shí)際上并未達(dá)到所期待的安全性，甚至都差到在JAVA安全模型上都未提及。除了安全性的糟點(diǎn)外，還有哪些缺陷?

• 答案

除了安全性沒(méi)有達(dá)到預(yù)期外，可用的基本功能很少;

ThreadGroup的API非常脆弱;

• 結(jié)論

線程組并沒(méi)有提供太多有用的功能，而且它們提供的許多功能還都是有缺陷的。當(dāng)管理線程或處理線程組邏輯時(shí)，應(yīng)該考慮使用executor。