java并发编程实践-线程安全性

线程是CPU资源调度的基本单位，如果一个程序中只有一个线程，则最多只能在一个处理器上运行，如果电脑/服务器是双处理器系统，则单线程的程序只能使用一半的CPU资源，所以，多线程是提高处理器资源利用率的重要方法。比如web系统中的servlet容器，它处理请求时会针对每一个请求创建一个线程调用servlet的service方法（https://m.runoob.com/servlet/servlet-life-cycle.html），servlet的实例在容器中只会创建一个，所以就涉及到了并发操作问题（多个线程访问处理同一个资源），下图摘自菜鸟教程中给出的一个请求示例：

 从上图中可以看出，如果service()方法对某一个可变的公共变量做了操作，线程a,b,c如果未作合适的同步控制的话，程序必然会出现错误，修复这个问题有三种方式：

a.不在线程之间共享该状态变量，也就是service()方法不会调用公共的变量/资源。

b.将状态变量设置为不可修改的变量，也就是service()方法调用的公共变量的值是一个恒定的值，各个线程也不能对该变量进行修改。

c.在访问公共的状态变量时进行同步控制，也就是线程b/c要等线程a对公共变量的操作执行完毕之后才能获取访问权。

一个无状态的对象一定是线程安全的，如下示例：

package main;

import javax.servlet.*;
import java.io.IOException;

public class StatelessFactorizer implements Servlet {
    @Override
    public void service(ServletRequest req, ServletResponse res) throws ServletException, IOException {
        int id=(int)req.getAttribute("id");
        id++;
        req.setAttribute("id",id);
    }    
    @Override
    public void init(ServletConfig config) throws ServletException {
        
    }

    @Override
    public ServletConfig getServletConfig() {
        return null;
    }

    @Override
    public String getServletInfo() {
        return null;
    }

    @Override
    public void destroy() {

    }
}

上面的代码中，id虽然做了++操作，但是它是属于方法的内部变量，也是线程私有的，这个值是从前端带过来的，所以这是一中“无状态的”操作方法。

package main;

import javax.servlet.*;
import java.io.IOException;

public class UnsafeCounting implements Servlet {
    private long count=0;
    @Override
    public void service(ServletRequest req, ServletResponse res) throws ServletException, IOException {
        count++;
        req.setAttribute("count",count);
    }
    @Override
    public void init(ServletConfig config) throws ServletException {

    }

    @Override
    public ServletConfig getServletConfig() {
        return null;
    }

    @Override
    public String getServletInfo() {
        return null;
    }

    @Override
    public void destroy() {

    }
}

再如上面的示例，UnsafeCounting实例的service方法由多个线程调用时，每个线程都会操作count这个公共资源，但是count++这种操作方法并不是原子性的，所以这种操作不是线程安全的。这里定义一个术语：

竞态条件(Race Condition)：并发编程时，由于不恰当的执行时序而出现不正确的结果的情况。

对于有竞态条件出现的情况下，需要使用“加锁机制”来保证操作步骤的原子性，也就是多个线程对操作步骤的顺序执行，java提供了一种内置的锁机制来实现原子操作：同步代码块(synchronized block)，同步代码块由两部分组成：

a.加锁的对象，是一个引用，也就是说对哪个对象进行加锁，确定了加锁的对象，所有的线程要先拿到这个对象的锁才能进行下一步的操作

b.由该锁保护的代码块，也就是哪些操作步骤必须是原子操作，就将这些需要作为原子操作的步骤放到锁所保护的代码块种即可

如下示例：

synchronized(obj){//todo 需要是原子操作的步骤}

**锁的重入**

重入是一个重要特征，就是一个线程获取到了某个锁的执行权，它再次获取该锁时，需要保证能够获取成功，

package main;

public class Widget {

    public synchronized void doSomething(){
        System.out.println("Widget doSomething "+this);
    }

    public static void main(String[] args) {
        LoggingWidget loggingWidget=new LoggingWidget();
        loggingWidget.doSomething();
    }
}

class LoggingWidget extends Widget{
    @Override
    public synchronized void doSomething() {
        System.out.println("LoggingWidget doSomething "+this);
        super.doSomething();
    }
}
---------输出--------
LoggingWidget doSomething main.LoggingWidget@74a14482
Widget doSomething main.LoggingWidget@74a14482

上面的代码中，synchronized方法修饰的是非静态方法，它的锁对象是this，也就是方法调用所在的对象，如果synchronized放到静态方法上，则其加锁的对象是Class对象；从上面的打印中，super中输出的this和子类中输出的this是一样的，如果synchronized锁不能重入的话，子类在调用doSomething的时候已经获取到了“main.LoggingWidget@74a14482”的锁，就不能调用super.doSomething()了，显然是不合理的；锁的重入则很完美地避免了该问题的产生。

是不是为了简单起见，直接将synchronized加到方法上得了？当然不是，因为还要考虑性能问题，如下实例：

class DownLoadFile extends HttpServlet{
    @Override
    protected synchronized void service(HttpServletRequest req,
                           HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {
        //todo 下载一个大文件
        File file=new File("c:/xxxx/uuu");
               
        //todo 对某个公共资源进行操作
    }
}

上面的代码中，下载大文件的操作比较费时，如果对方法进行加锁，则性能很差，这时候可以不对下载大文件进行加锁，如下：

class DownLoadFile extends HttpServlet{
    @Override
    protected  void service(HttpServletRequest req,
                           HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {
        //todo 下载一个大文件
        File file=new File("c:/xxxx/uuu");
        synchronized(this){
            //todo 对某个公共资源进行操作
        }        
    }
}

上面的代码中，性能将会提升很多，因为每个请求可以发送请求后立马进行文件下载操作，文件下载完毕后再尝试获取锁对公共资源进行操作。

以上是Java线程安全性的总结，在保证安全的同时也需要考虑性能问题，因此加锁时需要做到：

a.识别哪些操作步骤需要是原子性操作，以保证程序的安全性

b.判断哪些操作比较费时，这些比较费时的操作一定不要持有锁，因为会严重影响程序性能，记住，只对需要加锁的步骤进行加锁就可以了