一、設(shè)計(jì)線程安全的類

在設(shè)計(jì)線程安全類的過(guò)程中，需要包含以下三個(gè)基本要素：

• 找出構(gòu)成對(duì)象狀態(tài)的所有變量
• 找出約束狀態(tài)變量的不變性條件
• 建立對(duì)象狀態(tài)的并發(fā)訪問(wèn)管理策略

1.1 收集同步需求

要確保類的線程安全性，就需要確保它的不變性條件不會(huì)再并發(fā)訪問(wèn)的情況下被破壞，這就需要對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行推斷。對(duì)象和變量都有一個(gè)狀態(tài)空間，即所有可能的取值。狀態(tài)空間越小，就越容易判斷線程的狀態(tài)。final類型的域使用的越多，就越能簡(jiǎn)化對(duì)象可能狀態(tài)的分析過(guò)程。(在極端的情況下，不可變對(duì)象只有唯一的狀態(tài))

如果不了解對(duì)象的不變性條件與后驗(yàn)條件，那么就不能確保線程安全性。要滿足在狀態(tài)變量的有效值或狀態(tài)轉(zhuǎn)換上的各種約束條件，就需要借助于原子性和封裝性。

二、實(shí)例封閉

如果某對(duì)象不是線程安全的，那么可以通過(guò)多種技術(shù)使其在多線程程序中安全的使用。你可以確保該對(duì)象只能由單個(gè)線程訪問(wèn)(線程封閉)，或者通過(guò)一個(gè)鎖來(lái)保護(hù)該對(duì)象的所有訪問(wèn)。

封裝簡(jiǎn)化了線程安全類的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，他提供了一種實(shí)例封閉機(jī)制(Instance Confinement)，通常頁(yè)簡(jiǎn)稱為“封閉”。當(dāng)一個(gè)對(duì)象被封裝到另一個(gè)對(duì)象中時(shí)，能夠訪問(wèn)被封裝對(duì)象的所有代碼路徑都是已知的。與對(duì)象可以由整個(gè)程序訪問(wèn)的情況相比，更易于對(duì)代碼進(jìn)行分析。通過(guò)將封閉機(jī)制與合適的加鎖策略結(jié)合起來(lái)，可以確保線程安全的方式來(lái)使用非線程安全的對(duì)象。

將數(shù)據(jù)封裝在對(duì)象內(nèi)部，可以將數(shù)據(jù)的訪問(wèn)限制在對(duì)象的方法上，從而更容易確保線程在訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)總能持有正確的鎖。

被封閉對(duì)象一定不能超出它們既定的作用域。對(duì)象可以封閉在類的一個(gè)實(shí)例中，或者封閉在某個(gè)作用域內(nèi)，再或者封閉在線程內(nèi)。當(dāng)然，對(duì)象本身不會(huì)逸出--出現(xiàn)逸出情況的原因通常是由于開發(fā)人員在發(fā)布對(duì)象時(shí)超出了對(duì)象既定的作用域。

三、同步容器類

同步容器類包括Vector和HashTable，二者是早期JDK的一部分，此外還包括在JDK 1.2中添加的一些功能相似的類，這些的同步封裝器類是由Collections.synchronizedXxx等工廠方法創(chuàng)建的。這些類實(shí)現(xiàn)線程安全的方式是：將他們的狀態(tài)封裝起來(lái)，并對(duì)每個(gè)共有方法進(jìn)行同步，使得每次只有一個(gè)線程能訪問(wèn)容器的狀態(tài)。

3.1 同步容器類的問(wèn)題

同步容器類都是線程安全的，但在某些情況下可能需要額外的客戶端加鎖來(lái)保護(hù)符合操作。容器上常見的復(fù)合操作包括：迭代(反復(fù)訪問(wèn)元素，直到遍歷完容器中所有元素)、跳轉(zhuǎn)(根據(jù)指定順序找到當(dāng)前元素的下一個(gè)元素)yi'ji以及條件運(yùn)算。在同步容器類中，這些復(fù)合操作在沒有客戶端加鎖的情況下，仍然是線程安全的，但當(dāng)其他線程并發(fā)的修改容器時(shí)，他們可能會(huì)表現(xiàn)出意料之外的行為。

四、并發(fā)容器

Java 5.0提供了多種并發(fā)容器來(lái)改進(jìn)同步容器的性能。同步容器將所有對(duì)容器狀態(tài)的訪問(wèn)都串行化，以實(shí)現(xiàn)他們的線程安全性。這種方法的代價(jià)是嚴(yán)重降低并發(fā)性，當(dāng)多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)容器的鎖時(shí)，吞吐量將嚴(yán)重降低。

另一方面，并發(fā)容器是針對(duì)多個(gè)線程并發(fā)訪問(wèn)設(shè)計(jì)的。在Java 5.0中增加了ConcurrentHashMap，用來(lái)替代同步且基于散列的Map，以及CopyOnWriteArrayList，用于在遍歷操作為主要操作的情況下代替同步的List。在新的ConcurrentMap接口中增加了對(duì)一些常見符合操作的支持，例如“若沒有則添加”、替換以及有條件刪除等。

通過(guò)并發(fā)容器來(lái)代替同步容器，可以極大地提供伸縮性并降低風(fēng)險(xiǎn)。

4.1 CocurrentHashMap

同步容器類在執(zhí)行每個(gè)操作期間都持有一個(gè)鎖。在一些操作中，例如HashMashMap.get或List.contains，可能包含大量的工作：當(dāng)遍歷散列桶或鏈表來(lái)查找某個(gè)特定的對(duì)象時(shí)，必須在許多元素上調(diào)用equals。在基于散列的容器中，如果hashCode不能很均勻的分布散列值，那么容器中的元素就不會(huì)均勻的分布在整個(gè)容器中。某些情況下，某個(gè)糟糕的散列函數(shù)還會(huì)把一個(gè)散列表變成線性鏈表。當(dāng)遍歷很長(zhǎng)的鏈表并且在某些或者全部元素上調(diào)用equals方法時(shí)，會(huì)花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，而其他線程在這段時(shí)間內(nèi)都不能訪問(wèn)容器。

ConcurrentHashMap使用一種粒度更細(xì)的加鎖機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)更大程度的共享，這種機(jī)制被稱為分段鎖(Lock Striping)。在這種機(jī)制中，任意數(shù)量的讀取線程可以并發(fā)的訪問(wèn)Map，執(zhí)行讀取操作的線程和執(zhí)行寫入操作的線程可以并發(fā)的訪問(wèn)Map，并且一定數(shù)量的寫入線程可以并發(fā)的修改Map。

4.2 CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList用于替代同步List，在某些情況下它提供了更好的并發(fā)性能，并且在迭代期間不需要對(duì)容器進(jìn)行加鎖或復(fù)制。

“寫入時(shí)賦值(Copy-On-Write)”容器的線程安全性在于，只要正確的發(fā)布一個(gè)事實(shí)不可變的對(duì)象，那么在訪問(wèn)該對(duì)象時(shí)就不再需要進(jìn)一步的同步。每次修改時(shí)，都會(huì)創(chuàng)建并重新發(fā)布一個(gè)新的容器副本，從而實(shí)現(xiàn)可變性。“寫入時(shí)復(fù)制”容器的迭代器保留一個(gè)指向底層基礎(chǔ)數(shù)組的引用，這個(gè)數(shù)組當(dāng)前位于迭代器的起始位置，由于它不會(huì)被修改，因此在對(duì)其進(jìn)行同步時(shí)只需確保數(shù)組內(nèi)容的可見性。因此，多個(gè)線程可以同時(shí)對(duì)這個(gè)容器進(jìn)行迭代，而不會(huì)彼此干擾或者與修改容器的線程相互干擾?！?/p>

4.3 阻塞隊(duì)列和生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式

阻塞隊(duì)列提供了可阻塞的put和take方法，以及支持定時(shí)的offer和poll方法。如果隊(duì)列已經(jīng)滿了，那么put方法將阻塞直到有空間可用；如果隊(duì)列為空，那么take方法將會(huì)阻塞直到有元素可用。隊(duì)列可以是有界的也可以是無(wú)界的，無(wú)界隊(duì)列永遠(yuǎn)都不會(huì)充滿，因此無(wú)界隊(duì)列的put方法也永遠(yuǎn)不會(huì)阻塞。

在基于阻塞隊(duì)列構(gòu)建的生產(chǎn)者-消費(fèi)者設(shè)計(jì)中，當(dāng)數(shù)據(jù)生成時(shí)，生產(chǎn)者把數(shù)據(jù)放入隊(duì)列，而當(dāng)消費(fèi)者準(zhǔn)備處理數(shù)據(jù)時(shí)，將從隊(duì)列中獲取數(shù)據(jù)。生產(chǎn)者不需要知道消費(fèi)者的標(biāo)識(shí)或數(shù)量，或者他們是否是唯一生產(chǎn)者，只需將數(shù)據(jù)放入隊(duì)列即可。同樣，消費(fèi)者也不需要知道生產(chǎn)者是誰(shuí)，或者工作來(lái)自何處。BlockingQueue簡(jiǎn)化了生產(chǎn)者-消費(fèi)者設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，它支持任意數(shù)量的生產(chǎn)者和消費(fèi)者。一種常見的生產(chǎn)者-消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式就是線程池與工作隊(duì)列的組合，在Executor任務(wù)執(zhí)行框架中就體現(xiàn)了這種模式。

在構(gòu)建高可靠的應(yīng)用程序時(shí)，有界隊(duì)列是一種強(qiáng)大的資源管理工具：他們能抑制并防止產(chǎn)生過(guò)多的工作項(xiàng)，使應(yīng)用程序在負(fù)荷過(guò)載的情況下變得更加健壯。

public class BlockingQueueDemo {

    public static class Basket {
        BlockingQueue<String> basket = new ArrayBlockingQueue(3);

        public void product() throws InterruptedException {
            basket.put("An apple");
        }

        public String consume() throws InterruptedException {
            String apple = basket.take();
            return apple;
        }

        public int getAppleNum() {
            return basket.size();
        }
    }

    public static void testBasket() {
        final Basket basket = new Basket();

        class Producer implements Runnable {
            public void run() {
                try {
                    while (true) {
                        System.out.println("準(zhǔn)備生產(chǎn)蘋果:" + System.currentTimeMillis());
                        basket.product();
                        System.out.println("生產(chǎn)完畢：" + System.currentTimeMillis());
                        System.out.println("生產(chǎn)完的蘋果有" + basket.getAppleNum() + "個(gè)");
                        Thread.sleep(300);
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }

        class Consumer implements Runnable {
            public void run() {
                try {
                    while (true) {
                        System.out.println("消費(fèi)者準(zhǔn)備消費(fèi)蘋果：" + System.currentTimeMillis());
                        basket.consume();
                        System.out.println("消費(fèi)者消費(fèi)蘋果完畢：" + System.currentTimeMillis());
                        System.out.println("消費(fèi)完后有蘋果：" + basket.getAppleNum() + "個(gè)");
                        Thread.sleep(1000);
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }

        ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
        Producer producer = new Producer();
        Consumer consumer = new Consumer();
        service.submit(producer);
        service.submit(consumer);
        // 程序運(yùn)行10s后，所有任務(wù)停止
        try {
            Thread.sleep(10000);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        service.shutdownNow();
    }

    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueueDemo.testBasket();
    }
}

4.4 阻塞方法和中斷方法

線程可能會(huì)阻塞或暫停執(zhí)行，原因有多種：等待I/O操作結(jié)束，等待獲取一個(gè)鎖，等待從Thread.sleep方法中醒來(lái)，或是等待另一個(gè)線程的計(jì)算結(jié)果。當(dāng)線程阻塞時(shí)，它通常被掛起，并處于某種阻塞狀態(tài)(BLOCKED、WAITING或TIMED_WAITING)。阻塞操作與執(zhí)行時(shí)間很長(zhǎng)的普通操作的差別在于，被阻塞的線程必須等待某個(gè)不受他控制的事件發(fā)生后才能繼續(xù)執(zhí)行，例如等待I/O操作完成，等待某個(gè)鎖變成可用，或者等待外部計(jì)算的結(jié)束。當(dāng)某個(gè)外部事件發(fā)生時(shí)，線程被置hui回RUNNABLE狀態(tài)，并可以再次被調(diào)度執(zhí)行。

Thread提供了interrupt方法，用于中斷線程或者查詢線程是否已經(jīng)被中斷。每個(gè)線程都有一個(gè)布爾類型的屬性，表示線程的中斷狀態(tài)，當(dāng)中斷線程時(shí)將設(shè)置這個(gè)狀態(tài)。

中斷時(shí)一種協(xié)作機(jī)制。一個(gè)線程不能強(qiáng)制其他線程停止正在執(zhí)行的操作而去執(zhí)行其他的操作。當(dāng)在代碼中調(diào)用了一個(gè)將拋出InterruptedException異常方法時(shí)，你自己的方法也就變成了一個(gè)阻塞方法，并且必須要處理對(duì)中斷的響應(yīng)。對(duì)于庫(kù)代碼來(lái)說(shuō)，有兩種基本選擇：

傳遞InterruptedException。避開這個(gè)異常通常是最明智的策略-只需把InterruptedException傳遞給方法的調(diào)用者。傳遞的方法包括，根本不捕獲該異常，或者捕獲該異常，然后在執(zhí)行某種簡(jiǎn)單的清理工作后再次拋出這個(gè)異常。

恢復(fù)中斷。有時(shí)候不能拋出InterruptedException，例如當(dāng)代碼是Runnable的一部分時(shí)。在這些狀態(tài)下，必須捕獲InterruptedException，并通過(guò)調(diào)用當(dāng)前線程上的interrupt方法恢復(fù)中斷狀態(tài)，這樣在調(diào)用棧中更高層的代碼將看到引發(fā)了一個(gè)中斷。

public class TaskRunnable implements Runnable {
    BlockingQueue<Task> queue;
    ...
    public void run() {
        try {
            processTask(queue.take());
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread.interrupt();
        }
    }
}

五、同步工具類

同步工具類可以是任何一個(gè)對(duì)象，只要它根據(jù)其自身的狀態(tài)來(lái)協(xié)調(diào)線程的控制流。阻塞隊(duì)列可以作為同步工具類，其他類型的同步工具類還包括信號(hào)量(Semaphore)、柵欄(Barrier)以及閉鎖(Latch)。所有的同步工具類都包含一些特定的結(jié)構(gòu)化屬性：他們封裝了一些狀態(tài)，這些狀態(tài)將決定執(zhí)行同步工具類的線程是繼續(xù)執(zhí)行還是等待，此外還提供了一些方法對(duì)狀態(tài)進(jìn)行操作，以及另一些方法用于高效的等待同步工具類進(jìn)入到預(yù)期狀態(tài)。

5.1 閉鎖

閉鎖是一種同步工具類，可以延遲線程的進(jìn)度直到到達(dá)終止?fàn)顟B(tài)。閉鎖的作用相當(dāng)于一扇門：在閉鎖到達(dá)結(jié)束狀態(tài)之前，這扇門是一直關(guān)閉的，并且沒有任何線程能通過(guò)，當(dāng)?shù)竭_(dá)結(jié)束狀態(tài)時(shí)，這扇門會(huì)打開并允許所有的線程通過(guò)。當(dāng)閉鎖到達(dá)結(jié)束狀態(tài)后，將不會(huì)再改變狀態(tài)，因此這扇門將永遠(yuǎn)保持打開狀態(tài)。

5.2 FutureTask

FutureTask表示的計(jì)算是通過(guò)Callable來(lái)實(shí)現(xiàn)的，相當(dāng)于一種可以生成結(jié)果的Runnable，并可以處于以下三種狀態(tài)：等待運(yùn)行(Waiting to run)，正在運(yùn)行(Running)和運(yùn)行完成(Completed)。

Future.get的行為取決于任務(wù)的狀態(tài)。如果任務(wù)已經(jīng)完成，那么get會(huì)立即返回結(jié)果，否則get將阻塞直到任務(wù)進(jìn)入完成狀態(tài)，然后返回結(jié)果或者拋出異常。FutureTask將計(jì)算結(jié)果從執(zhí)行計(jì)算的線程傳遞到獲取這個(gè)結(jié)果的線程，而FutureTask的規(guī)范確保了這種傳遞能實(shí)現(xiàn)結(jié)果的安全發(fā)布。

5.3 信號(hào)量

計(jì)數(shù)信號(hào)量(Counting Semaphore)用來(lái)控制同時(shí)訪問(wèn)某個(gè)特定資源的操作數(shù)量，或者同時(shí)執(zhí)行某個(gè)指定操作的數(shù)量。計(jì)數(shù)信號(hào)量還可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)某種資源池，或者對(duì)容器施加邊界。

Semaphore中管理者一組虛擬的許可(permit)，許可的初始數(shù)量可通過(guò)構(gòu)造函數(shù)來(lái)指定。在執(zhí)行操作時(shí)可以首先獲得許可(只要還有剩余的許可)，并在使用以后釋放許可。如果沒有許可，那么acquire將阻塞直到有許可(或者直到被中斷或者操作超時(shí))。release方法將返回一個(gè)許可給信號(hào)量。計(jì)算信號(hào)量的一種簡(jiǎn)化形式是二zhi二值信號(hào)量，即初始值為1的Semaphore。二值信號(hào)量可以用作互斥體(mutex)，并具備不可重入的加鎖語(yǔ)義：誰(shuí)擁有這個(gè)唯一的許可，誰(shuí)就擁有了互斥鎖。

Semaphore可以用于實(shí)現(xiàn)資源池，例如數(shù)據(jù)庫(kù)連接池。我們可以構(gòu)造一個(gè)固定長(zhǎng)度的資源池，當(dāng)池為空時(shí)，請(qǐng)求資源將會(huì)失敗，但你真正希望看到的行為是阻塞而不是失敗，并且當(dāng)池非空時(shí)解除阻塞。如果將Semaphore的計(jì)數(shù)值初始化為池的大小，并在從池中獲取一個(gè)資源之前首先調(diào)用acquire方法獲取一個(gè)許可，在將資源返回給池之后調(diào)用release釋放許可，那么acquire將一直阻塞直到資源池不為空。

同樣，你可以使用Semaphore將任何一種容器變成有界阻塞容器。信號(hào)量的計(jì)數(shù)值會(huì)初始化為容器容量的最大值。add操作在向底層容器添加一個(gè)元素之前，首先要獲取一個(gè)許可。如果add操作沒有添加任何元素，那么會(huì)立刻釋放許可。同樣，remove操作釋放一個(gè)許可，使更多的元素能夠添加到容器中。

5.4 柵欄

柵欄(Barrier)類似于閉鎖，它能阻塞一組線程直到某個(gè)事件發(fā)生。柵欄與閉鎖的關(guān)鍵區(qū)別在于，所有線程必須同時(shí)到達(dá)柵欄位置，才能繼續(xù)執(zhí)行。閉鎖用于等待事件，而柵欄用于等待其他線程。

CyclicBarrier可以是一定數(shù)量的參與方反復(fù)的在柵欄位置匯集，它在并行迭代算法中非常有用：這種算法將一個(gè)問(wèn)題拆分成一系列相互獨(dú)立的子問(wèn)題。當(dāng)線程到達(dá)柵欄位置時(shí)將調(diào)研await方法，這個(gè)方法將阻塞直到所有線程都到達(dá)柵欄位置。如果所有線程都到達(dá)了柵欄位置，那么柵欄將打開，此時(shí)所有線程都被釋放，而柵欄將被重置以便下次使用。如果對(duì)await的調(diào)用超時(shí)，或者await阻塞的線程被中斷，那么柵欄就被認(rèn)為是打破了，所有阻塞的await調(diào)用都將終止并拋出BrokenBarrierException。如果成功通過(guò)柵欄，那么await將為每個(gè)線程返回一個(gè)唯一的到達(dá)索引號(hào)，我們可以利用這些索引來(lái)“選舉”產(chǎn)生一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)線程，并在下一次迭代中由該領(lǐng)導(dǎo)線程執(zhí)行一些特殊的工作。CyclicBarrier還可以使你將一個(gè)柵欄操作傳遞給構(gòu)造函數(shù)，這是一個(gè)Runnable，當(dāng)城管通過(guò)柵欄時(shí)會(huì)(在一個(gè)子任務(wù)線程中)執(zhí)行它，但在阻塞線程被釋放之前是不能執(zhí)行的。