(1) 要编写线程安全的代码,其核心在于对状态访问操作进行管理,特别是对共享的(shared)和可变的(mutable)状态的访问。
从非正式意义上来说,对象的状态是指存储在其状态变量(例如实例或静态域)中的数据;
(2)shared 意味着变量可以由多个线程同时访问;而 mutable 意味着变量的值在其生命周期内可变;
(3)当多个线程访问某个状态变量并且其中有一个线程执行写入操作时,必须采用同步机制来协同这些线程对变量的访问;JAVA中主要的同步机制是关键字synchronized,它提供了一种独占的加锁方式,但”同步“这个术语还包括volatile类型的变量,显式锁(Explicit Lock)以及原子变量。
(4)当多个线程访问某个类时,这个类始终都能表现出正确的行为,那么就称这个类是线程安全类。
当多个线程访问某个类时,不管运行环境采用何种调度方式或者这些线程将如何交替执行,并且在主调代码中不需要任何额外的同步或协同,这个类都能表现出正确的行为,那么就称这个类是线程安全类。
在线程安全类中封装了必要的同步机制,因此客户端无需采用进一步的同步措施。
(5)无状态对象一定是线程安全的。
无状态对象:即不包含任何域,也不包含任何对其他类中域的引用。
(6)Race Condition
Race Condition 是指程序运行的结果依赖于多个线程的交替执行顺序。
最常见的race condition 类型就是”Check -Then -Act“;即通过一个可能失效的观察结果来决定下一步的动作。
"Check -Then-Act "最常见的一种情形就是延迟初始化,见代码示例:
@NotThreadSafe
public class LazyInitRace{
private ExpensiveObject obj=null;
public ExpensiveObject getInstance(){
if(instance==null)
instance=new ExpensiveObejct();
return instance;
}
}
在LazyInitRace中包含了一个竞态条件;假定A线程和B线程同时执行getInstance方法,A线程判断ExpensiveObject为null,因而创建一个新的ExpensiveObject实例;而B线程同样需要判断instance是否为null,此时instance是否为null,取决于不可预测的时序,包括线程的调度方式,以及A需要花多长时间来初始化ExpensiveObject并设置instance;如果B线程检查ExpensiveObject对象的值为null,那么也会创建一个ExpensiveObject对象,此时就发生了我们不想产生的结果。
LazyInitRace 包含了一组需要以原子方式执行的操作以避免race condition。
原子性:一组语句作为一个不可分割的单元被执行。
要避免竞态条件问题,就必须要在某个线程修改变量之前,阻止其他线程使用这个变量,从而使得其他线程只能在修改操作完成之前或者之后读取和修改状态,而不是在修改状态的过程中。
(7)使用线程安全对象管理类的状态
对于第一章的不安全的序列生成器代码:
@NotThreadSafe
public class UnsafeSequence{
private int value;
public void getNext(){
return value++;
}
}
我们可以通过 java.util.concurrent.atomic 包中的原子变量类进行修改:
@ThreadSafe
public class safeSequence{
private AtomicInteger value=new AtomicInteger(0);
public int getNext(){
return value.incrementAndGet();
}
}
在实际情况中,应尽可能使用现有的线程安全对象(如AtomicInteger)来管理类的状态。与非线程安全的对象相比,判断线程安全对象的可能状态及其状态转换情况要更为容易,从而也更容易维护和验证线程安全。
(8)加锁机制
Java 提供了一种内置的锁机制来支持原子性:同步代码块(Synchronized Block)。
Synchronized Block 包含两个部分:一个作为锁的对象引用,一个作为由这个锁保护的代码块。
以 关键字 synchronized 修饰的方法是一种横跨整个方法体的同步代码块。其中该同步代码块的锁就是方法调用所在的对象。
静态的 synchronized 方法以Class 对象作为锁。
synchronized (lock){
//访问或修改由锁保护的共享状态
}
每个Java对象都可以用作一个实现同步的锁,这些锁被称为内置锁(Intrinsic Lock)或 监视器锁(Monitor Lock)。
线程在进入同步代码块之前会自动获得锁,并且在退出同步代码块时自动释放锁。获得锁的唯一途径就是进入由这个锁保护的同步代码块或方法。
Java内置锁是一种互斥锁,这意味着同一时刻最多只能有一个线程持有这种锁。
内置锁是可重入的意味着一个线程试图获取一个它自己持有的锁就会成功。这说明Java获取锁的操作的粒度是“线程”而不是“调用”。
当执行时间较长的计算或者可能无法快速完成的操作时(例如网络IO或控制台IO),一定不要持有锁。
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