前言

在構(gòu)建并發(fā)程序時(shí)，必須正確的使用線程和鎖。編寫(xiě)線程安全的代碼的核心在于要對(duì)狀態(tài)訪問(wèn)操作進(jìn)行管理，特別是對(duì)共享和可變狀態(tài)的訪問(wèn)。
共享：變量可以由多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)
可變：變量的值在其生命周期內(nèi)可以發(fā)生變化

初探

一個(gè)對(duì)象是否需要是線程安全的，取決于它是否會(huì)被多個(gè)線程訪問(wèn)。注意，這指得是程序中訪問(wèn)對(duì)象的方式，而不是對(duì)象要實(shí)現(xiàn)的功能。

線程安全的對(duì)象

有三種方式可以讓一個(gè)可變狀態(tài)的的變量成為一個(gè)線程安全的對(duì)象：

1. 不在線程之間共享該變量
2. 將這個(gè)變量修改為不可變的變量
3. 在訪問(wèn)變量時(shí)使用同步

同步機(jī)制

采用同步機(jī)制來(lái)協(xié)同對(duì)對(duì)象可變狀態(tài)的訪問(wèn)可以讓該對(duì)象變的線程安java中的提供的實(shí)現(xiàn)同步機(jī)制的辦法包括：

• synchronizend，一種獨(dú)占鎖的方式;
• volatile類(lèi)型的變量;
• 顯示鎖（Explicit Lock）;
• 原子變量;

線程安全性

當(dāng)多個(gè)線程訪問(wèn)某個(gè)類(lèi)時(shí)，不管運(yùn)行時(shí)環(huán)境采用何種調(diào)度方式或者這些線程將如何交替執(zhí)行，并且在主調(diào)試代碼中不需要任何額外的同步或者協(xié)同，這個(gè)類(lèi)都能表現(xiàn)出正確的行為，那么就稱(chēng)這個(gè)類(lèi)是線程安全的。
在定義中，最核心的概念就是正確性。其含義為：<u>類(lèi)的行為與其規(guī)范的完全一致</u>
讓我們看一個(gè)不正確的典范,為售票處設(shè)計(jì)一個(gè)買(mǎi)票系統(tǒng)，五個(gè)窗口賣(mài)五張票：

public class Ticket extends Thread {
    private int count = 5;
    @Override
    public void run() {
        super.run();
        count--;
        System.out.println(this.currentThread().getName() + ":" + count);
    }
}

public class Sale {
    public static void main(String[] args){
        Ticket ticket = new Ticket();
        Thread a = new Thread(ticket,"A");
        Thread b = new Thread(ticket,"B");
        Thread c = new Thread(ticket,"C");
        Thread d = new Thread(ticket,"D");
        Thread e = new Thread(ticket,"E");
        a.start();
        b.start();
        c.start();
        d.start();
        e.start();
    }
}

這段代碼的輸出結(jié)果是不確定的，輸出的結(jié)果可能是下面這樣的：

image

public class TicketNoState extends Thread {
    //private int count = 5;
    @Override
    public void run() {
        super.run();
        int count = 5;
        do {
            count--;
            System.out.println(this.currentThread().getName() + ":" + count);
        } while (count > 0);
    }
}

這段代碼不會(huì)產(chǎn)生前面代碼所犯的錯(cuò)誤，TicketNoState是無(wú)狀態(tài)的：

• 不包含任何域
• 不包含任何對(duì)其他類(lèi)中域的引用
  計(jì)算過(guò)程中的臨時(shí)狀態(tài)僅存在于線程棧上的局部變量中，并且只能由正在執(zhí)行的線程訪問(wèn)。訪問(wèn)TicketNoState的線程不會(huì)影響另一個(gè)線程的計(jì)算過(guò)程和結(jié)果，因?yàn)檫@兩個(gè)線程并沒(méi)有共享狀態(tài)，就好像他們?cè)谠L問(wèn)不同的實(shí)例。

<u>無(wú)狀態(tài)對(duì)象一定是線程安全的</u>

原子性

一個(gè)原子操作是一個(gè)不能分割的整體，沒(méi)有其他線程能夠中斷或檢查正處于原子操作中的變量。原子操作在沒(méi)有鎖的情況下可以做到線程安全。
回憶上文中那個(gè)不安全的賣(mài)票代碼中的count--操作，緊湊的語(yǔ)法使得它看上去只是一個(gè)操作，但它確實(shí)非原子的。實(shí)際上它包含了三個(gè)獨(dú)立的操作：讀取count的值，將其減1，然后將計(jì)算結(jié)果寫(xiě)入count。這是一個(gè)“讀取-計(jì)算-寫(xiě)入”的過(guò)程，上文中錯(cuò)誤的輸出就是由這段操作產(chǎn)生的。
使用原子類(lèi)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)count的原子操作：

public class Ticket extends Thread {
    private AtomicInteger count = new AtomicInteger(5);
    @Override
    public void run() {
        super.run();
        System.out.println(this.currentThread().getName() + "賣(mài)出去了一張:" +                 count.getAndDecrement());
    }
}

注意：原子類(lèi)在具有有邏輯性的情況下也是不安全的。因?yàn)榉椒ㄖg的調(diào)用不是原子的。
在原子操作中，對(duì)于訪問(wèn)同一個(gè)狀態(tài)的所有操作來(lái)說(shuō)，這個(gè)操作是以原子方式執(zhí)行的操作。假如存在兩個(gè)操作A和B，如果從執(zhí)行A的線程來(lái)看，當(dāng)另一個(gè)線程執(zhí)行B的時(shí)候，要么將B全部執(zhí)行完，要么完全不執(zhí)行B，那么A和B彼此是原子的。與原子操作對(duì)應(yīng)的就是復(fù)合操作:包含了一組必須以原子方式執(zhí)行的操作以確保線程安全性的操作。

競(jìng)態(tài)條件

程序的結(jié)果取決于運(yùn)氣！

如果程序運(yùn)行順序的改變會(huì)影響最終結(jié)果，這就是一個(gè)競(jìng)態(tài)條件
也就是說(shuō)當(dāng)某個(gè)計(jì)算的正確性取決于多個(gè)線程的交替執(zhí)行序時(shí)，那么就會(huì)發(fā)生競(jìng)態(tài)條件。

要想理解這個(gè)定義，首先要知道程序運(yùn)行不一定是線性的。不按順序執(zhí)行的典范還是多線程程序。例如上文中的代碼創(chuàng)建的五個(gè)線程，雖然它們是依次啟動(dòng)，但他們內(nèi)部的代碼誰(shuí)先執(zhí)行就不得而知了。
如果一段程序運(yùn)行多次的結(jié)果不一致，那這就可能是競(jìng)態(tài)條件的體現(xiàn)。最常見(jiàn)的競(jìng)態(tài)條件類(lèi)型是“先檢查后執(zhí)行”，通過(guò)觀測(cè)一個(gè)結(jié)果來(lái)決定程序下一步的走向，而這個(gè)結(jié)果可能是已經(jīng)失效了的。例如上文中五個(gè)窗口售賣(mài)五張車(chē)票的代碼,多次執(zhí)行會(huì)有不同結(jié)果。
另一個(gè)常見(jiàn)的類(lèi)型就是延遲初始化中的競(jìng)態(tài)條件，觀察下面實(shí)現(xiàn)單例的代碼：

public class LazyInit {
    private static LazyInit mLazyInit = null;
    public static LazyInit getLazyInit() {
        if (mLazyInit == null) {
            mLazyInit = new LazyInit();
        }
        return mLazyInit;
    }
}

LazyInit中就包含了一個(gè)競(jìng)態(tài)條件，它可能會(huì)破壞這個(gè)類(lèi)的正確性。假定線程A和線程B同時(shí)執(zhí)行getLazyInit，當(dāng)A先進(jìn)入是，A看到mLazyInit為空，變?nèi)バ陆ㄒ粋€(gè)實(shí)例。當(dāng)A尚未創(chuàng)建成功時(shí)，此時(shí)mLazyInit依舊為空，而此時(shí)，如果B進(jìn)入，發(fā)現(xiàn)mLazyInit為空，也會(huì)去進(jìn)行初始化的操作。這樣getLazyInit就會(huì)返回兩個(gè)不同的實(shí)例。

加鎖機(jī)制

<u>加鎖機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)操作的原子性。</u>
同步代碼塊：Java提供了一種內(nèi)置的鎖機(jī)制來(lái)支持原子性。它包含兩個(gè)部分：
一個(gè)作為鎖的對(duì)象引用 一個(gè)由這個(gè)鎖保護(hù)的代碼塊
例如：

synchronized (lock){
    //被保護(hù)的代碼塊
}

內(nèi)置鎖

每個(gè)Java對(duì)象都可以用來(lái)作為一個(gè)同步鎖，即內(nèi)置鎖（監(jiān)視器鎖）。線程在進(jìn)入同步代碼塊之前會(huì)自動(dòng)獲取鎖，并且在退出的時(shí)候釋放鎖。獲得鎖唯一的方法就是進(jìn)入由這個(gè)鎖保護(hù)的同步代碼塊或者方法。
用關(guān)鍵字synchronized修飾整方法就是一種橫跨整個(gè)方法的同步代碼塊

synchronized public static LazyInit getLazyInit() {
        if (mLazyInit == null) {
            mLazyInit = new LazyInit();
        }
        return mLazyInit;
    }

其中的鎖就是方法調(diào)用所在的對(duì)象。靜態(tài)的synchronized方法以Class對(duì)象作為鎖：

synchronized (LazyInit.class){
    //被保護(hù)的代碼塊
}

<u>Java的內(nèi)置鎖是一種互斥鎖，同一時(shí)間內(nèi)最多只有有一個(gè)線程能持有這種鎖，每次只能由一個(gè)線程執(zhí)行鎖保護(hù)起來(lái)的代碼塊，于是這些代碼塊得以以原子的方式執(zhí)行</u>。

重入

內(nèi)置鎖是可以重如的：當(dāng)A線程請(qǐng)求一個(gè)由B線程持有的鎖時(shí)，A線程會(huì)被阻塞，如果B線程視圖獲得一個(gè)已經(jīng)由它自己持有的鎖，請(qǐng)求則會(huì)成功，不會(huì)發(fā)生阻塞。（自己可以再次獲取自己持有的鎖）
例如：當(dāng)存在類(lèi)繼承關(guān)系，子類(lèi)可以同過(guò)鎖可重如的特性調(diào)用父類(lèi)的同步方法：

public class Human {
    public synchronized void method(){

    }
}

public class Student  extends Human {
    @Override
    public synchronized void method() {
        //調(diào)用父類(lèi)的同步方法
        super.method();
    }
}

需要注意的是：簡(jiǎn)單的且粗粒度的使用同步方法確實(shí)能確保線程安全性，但付出的代價(jià)卻極高————被同步的方法每次只能由一個(gè)線程執(zhí)行，無(wú)法同時(shí)處理多個(gè)請(qǐng)求。

總結(jié)

該文為Java并發(fā)系列博客之一，為基礎(chǔ)篇。該系列博客是我學(xué)習(xí)過(guò)程中的總結(jié)，希望持續(xù)關(guān)注Java并發(fā)系列博客，積極討論，一起學(xué)習(xí)成長(zhǎng)。