java并发安全
- 2020 年 4 月 3 日
- 筆記
本次内容主要线程的安全性、死锁相关知识点。
1、什么是线程安全性
1.1 线程安全定义
前面使用8个篇幅讲到了Java并发编程的知识，那么我们有没有想过什么是线程的安全性？在《Java并发编程实战》中定义如下：当多个线程访问某个类时，不管运行时环境采用何种调度方式或者这些线程将如何交替执行，并且在调用代码中不需要任何额外的同步或者协同，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的。
1.2 无状态类
没有任何成员变量的类，就叫无状态类，这种类一定是线程安全的。但是有一种情况是，这个类方法的参数中用到了对象，看下面的代码：
public class StatelessClass { public void test(User user) { //do business } }
此时这个类还是线程安全的吗？那肯定也是，为什么呢？因为多线程下的使用，固然user这个对象的实例会不正常，但是对于StatelessClass这个类的对象实例来说，它并不持有User的对象实例，它自己并不会有问题，有问题的是User这个类，而非StatelessClass本身。
1.2 volatile
并不能保证类的线程安全性，只能保证类的可见性，最适合一个线程写，多个线程读的情景。
1.3 锁和CAS
我们最常使用的保证线程安全的手段，使用synchronized关键字，使用显式锁，使用各种原子变量，修改数据时使用CAS机制等等。
1.4 ThreadLocal
ThreadLocal是实现线程封闭的最好方法。关于ThreadLocal如何保证线程的安全性，请阅读《java线程间的共享》，里面有详细的介绍。
1.5 安全的发布
1）类中持有的成员变量，如果是基本类型，发布出去，并没有关系，因为发布出去的其实是这个变量的一个副本。看下面的代码：
public class SafePublish { private int number; public SafePublish() { number = 2; } public int getNumber() { return number; } public static void main(String[] args) { SafePublish safePublish = new SafePublish(); int result = safePublish.getNumber(); System.out.println("before modify, result = " + result); result = 3; System.out.println("before modify, result =" + result); System.out.println("getNumber() = " + safePublish.getNumber()); } }
从程序输出可以看到，number的值并没被改变，因为result只是一个副本，这样的成员变量发布出去是安全的。
2）如果类中持有的成员变量是对象的引用，如果这个成员对象不是线程安全的，通过get等方法发布出去，会造成这个成员对象本身持有的数据在多线程下不正确的修改，从而造成整个类线程不安全的问题。看下面代码：
public class UnSafePublish { private final User user = new User(); public User getUser() { return user; } public static void main(String[] args) { UnSafePublish unSafePublish = new UnSafePublish(); User user = unSafePublish.getUser(); System.out.println("before modify, user = " + unSafePublish.getUser()); user.setAge(88); System.out.println("after modify, user = " + unSafePublish.getUser()); } static class User { private int age; public int getAge() { return age; } public void setAge(int age) { this.age = age; } @Override public String toString() { return "UserVo[" + "age=" + age + ']'; } } }
从程序输出可以看到，user对象的内容发生了改变，如果多个线程同时操作，user对象在堆中的数据是不可预知的。
那么这个问题应该怎么处理呢？我们在发布这对象出去的时候，就应该用线程安全的方式包装这个对象。对于我们自己使用或者声明的类，JDK自然没有提供这种包装类的办法，但是我们可以仿造这种模式或者委托给线程安全的类，当然，对这种通过get等方法发布出去的对象，最根本的解决办法还是应该在实现上就考虑到线程安全问题。对上面的代码进行改造：
public class SafePublicUser { private final User user; public User getUser() { return user; } public SafePublicUser(User user) { this.user = new SynUser(user); } /** * 线程安全的类，将内部成员对象进行线程安全包装 */ static class SynUser extends User { private final User user; private final Object lock = new Object(); public SynUser(User user) { this.user = user; } @Override public int getAge() { synchronized (lock) { return user.getAge(); } } @Override public void setAge(int age) { synchronized (lock) { user.setAge(age); } } } static class User { private int age; public int getAge() { return age; } public void setAge(int age) { this.age = age; } @Override public String toString() { return "UserVo[" + "age=" + age + ']'; } } }
2、死锁
2.1 死锁定义
死锁的发生必须具备以下四个必要条件：
1）互斥条件：指进程对所分配到的资源进行排它性使用，即在一段时间内某资源只由一个进程占用。如果此时还有其它进程请求资源，则请求者只能等待，直至占有资源的进程用毕释放。
2）请求和保持条件：指进程已经保持至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其它进程占有，此时请求进程阻塞，但又对自己已获得的其它资源保持不放。
3）不剥夺条件：指进程已获得的资源，在未使用完之前，不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放。
4）环路等待条件：指在发生死锁时，必然存在一个进程——资源的环形链，即进程集合{P0，P1，P2，···，Pn}中的P0正在等待一个P1占用的资源；P1正在等待P2占用的资源，……，Pn正在等待已被P0占用的资源。
举个例子来说明：
老王和老宋去大保健，老王抢到了1号技师，擅长头部按摩，老宋抢到了2号技师，擅长洗脚。但是老王和老宋都想同时洗脚和头部按摩，于是互不相让，老王抢到了1号，还想要2号，老宋抢到了2号，还想要1号。在洗脚和头部按摩这个事情上老王和老宋就产生了死锁，怎么样可以解决这个问题呢？
方案1：老板了解到情况，派3号技师过来，3号技师擅长头部按摩，老王只有一个头，所以3号只能给老宋服务，这个时候死锁就被打破。
方案2：大保健会所的老板比较霸道，规定了只能先头部按摩，再洗脚。这种情况下，老王和老宋谁先抢到1号，谁就先享受，另一个没抢到的就等着，这种情况也不会产生死锁。
对死锁做一个通俗易懂的总结：
死锁是必然发生在多个操作者（M>=2）情况下，争夺多个资源（N>=2，且M>=N）才会发生这种情况。很明显，单线程不会有死锁，只有老王一个去，1号2号都归他，没人跟他抢。单资源呢？只有1号，老王和老宋也只会产生激烈竞争，打得不可开交，谁抢到就是谁的，但不会产生死锁。同时，死锁还有两个重要的条件，争夺资源的顺序不对，如果争夺资源的顺序是一样的，也不会产生死锁，另一个条件就是，争夺者拿到资源后不放手。
2.2 死锁的危害
一旦程序中出现了死锁，危害是非常致命的，大致有以下几个原因：
1）线程不工作了，但是整个程序还是活着的。
2）没有任何的异常信息可以供我们检查。
3）程序发生了发生了死锁，是没有任何的办法恢复的，只能重启程序，对生产平台的程序来说，这是个很严重的问题。
2.3 死锁的例子
上面讲了那么多关于死锁的概念，现在直接撸一段死锁代码看看。
public class DeadLockDemo { private static Object No1 = new Object(); private static Object No2 = new Object(); /*** * 老王抢到了1号，还想要2号 * @throws InterruptedException */ private static void laowang() throws InterruptedException { String threadName = Thread.currentThread().getName(); synchronized (No1) { System.out.println(threadName + " get NO1"); Thread.sleep(100); synchronized (No2) { System.out.println(threadName + " get NO2"); } } } /*** * 老宋抢到了2号，还想要1号 * @throws InterruptedException */ private static void laosong() throws InterruptedException { String threadName = Thread.currentThread().getName(); synchronized (No2) { System.out.println(threadName + " get NO2"); Thread.sleep(100); synchronized (No1) { System.out.println(threadName + " get NO1"); } } } private static class Laowang extends Thread { private String name; public Laowang(String name) { this.name = name; } @Override public void run() { Thread.currentThread().setName(name); try { laowang(); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } } private static class Laosong extends Thread { private String name; public Laosong(String name) { this.name = name; } @Override public void run() { Thread.currentThread().setName(name); try { laosong(); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Laosong laosong = new Laosong("laosong"); laosong.start(); Laowang laowang = new Laowang("laowang"); laowang.start(); Thread.sleep(10); } }
程序输出可以看到，老宋抢到了2号，老王抢到了1号，因为产生了死锁，程序没有结束，但是并没有往下执行。
2.4 死锁的定位
通过JDK的jps查看应用的id，再使用jstack查看应用持有锁的情况。
可以看到”laowang”这个线程持有了<0x000000076b393b78>锁，还想获得<0x000000076b393b88>锁；”laosong”这个线程持有了<0x000000076b393b88>锁，还想获取<0x000000076b393b78>锁。
2.5 死锁的解决方案
1）保证拿锁的顺序一致，内部通过顺序比较，确定拿锁的顺序。
2）采用尝试拿锁的机制。
我们分别用这2种解决方案来改造上面死锁的代码，先看方案1：
public class NormalLockDemo { private static Object No1 = new Object(); private static Object No2 = new Object(); /** * 按照No1、No2顺序加锁 * @throws InterruptedException */ private static void laowang() throws InterruptedException { String threadName = Thread.currentThread().getName(); synchronized (No1) { System.out.println(threadName + " get NO1"); Thread.sleep(100); synchronized (No2) { System.out.println(threadName + " get NO2"); } } } /** * 按照No1、No2顺序加锁 * @throws InterruptedException */ private static void laosong() throws InterruptedException { String threadName = Thread.currentThread().getName(); synchronized (No1) { System.out.println(threadName + " get NO1"); Thread.sleep(100); synchronized (No2) { System.out.println(threadName + " get NO2"); } } } static class Laowang extends Thread { private String name; public Laowang(String name) { this.name = name; } @Override public void run() { Thread.currentThread().setName(name); try { laowang(); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } } static class Laosong extends Thread { private String name; public Laosong(String name) { this.name = name; } @Override public void run() { Thread.currentThread().setName(name); try { laosong(); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Laosong laosong = new Laosong("laosong"); laosong.start(); Laowang laowang = new Laowang("laowang"); laowang.start(); Thread.sleep(1000); System.out.println("2个人都完成了大保健"); } }
从程序输出可以看到，通过顺序拿锁的方式，2个人都完成了大保健，解决了死锁问题。
再看方案2，使用ReentrantLock采用尝试获取锁的方式，如果对ReentrantLock不熟悉，欢迎阅读《java之AQS和显式锁》。
import java.util.Random; import java.util.concurrent.locks.Lock; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; public class TryLock { private static Lock No1 = new ReentrantLock(); private static Lock No2 = new ReentrantLock(); /*** * 先尝试拿No1锁，再尝试拿No2锁，No2锁没拿到，连同No1锁一起释放掉 * @throws InterruptedException */ private static void laowang() throws InterruptedException { String threadName = Thread.currentThread().getName(); Random r = new Random(); while (true) { if (No1.tryLock()) { try { System.out.println(threadName + " get NO2"); if (No2.tryLock()) { try { System.out.println(threadName + " get NO1"); break; } finally { No2.unlock(); } } } finally { No1.unlock(); } } Thread.sleep(r.nextInt(5)); } } /** * 先尝试拿No2锁，再尝试拿No1锁，No1锁没拿到，连同No2锁一起释放掉 * * @throws InterruptedException */ private static void laosong() throws InterruptedException { String threadName = Thread.currentThread().getName(); Random r = new Random(); while (true) { if (No2.tryLock()) { try { System.out.println(threadName + " get NO2"); if (No1.tryLock()) { try { System.out.println(threadName + " get NO1"); break; } finally { No1.unlock(); } } } finally { No2.unlock(); } } } Thread.sleep(r.nextInt(5)); } static class Laowang extends Thread { private String name; public Laowang(String name) { this.name = name; } @Override public void run() { Thread.currentThread().setName(name); try { laowang(); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } } static class Laosong extends Thread { private String name; public Laosong(String name) { this.name = name; } @Override public void run() { Thread.currentThread().setName(name); try { laosong(); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Laosong laosong = new Laosong("laosong"); laosong.start(); Laowang laowang = new Laowang("laowang"); laowang.start(); Thread.sleep(1000); System.out.println("2个人都完成了大保健"); } }
从程序输出可以看到，laowang线程抢到了NO2这把锁，但是在获取NO1的时候失败了，所以把NO2也释放了。这样做就使得2个线程都可以获取到锁，不会有死锁问题产生。
3、结语
本篇幅就介绍这么多内容，希望大家看了有收获。Java并发编程专题要分享的内容到此就结束了，下一个专题将介绍Java性能优化和JVM相关内容，阅读过程中如发现描述有误，请指出，谢谢。
