java安全編碼指南之:執行緒安全規則

flydean發表於2020-10-23
Java執行緒

目錄

簡介

如果我們在多執行緒中引入了共享變數，那麼我們就需要考慮一下多執行緒下執行緒安全的問題了。那麼我們在編寫程式碼的過程中，需要注意哪些執行緒安全的問題呢？

一起來看看吧。

注意執行緒安全方法的重寫

大家都做過方法重寫，我們知道方法重寫是不會檢查方法修飾符的，也就是說，我們可以將一個synchronized的方法重寫成為非執行緒安全的方法：

public class SafeA {
    public synchronized void doSomething(){
    }
}

public class UnsafeB extends SafeA{
    @Override
    public void doSomething(){
    }
}

我們在實現子類功能的時候，一定要保持方法的執行緒安全性。

建構函式中this的溢位

this是什麼呢？根據JLS的規範，當用作主要表示式時，關鍵字this表示一個值，該值是對其呼叫例項方法的物件或正在構造的物件的引用。

那麼問題來了，因為this能夠表示正在構造的物件，那麼意味著，如果物件還沒有構建完畢，而this又可以被外部訪問的話，就會造成外部物件訪問到還未構造成功物件的問題。

我們來具體看一下this溢位都會發生在哪些情況：

public class ChildUnsafe1 {

    public static ChildUnsafe1 childUnsafe1;
    int age;

    ChildUnsafe1(int age){
        childUnsafe1 = this;
        this.age = age;
    }
}

上面是一個非常簡單的this溢位的情況，在建構函式的過程中，將this賦值給了一個public物件，將會導致this還沒有被初始化完畢就被其他物件訪問。

那麼我們調整一下順序是不是就可以了呢？

public class ChildUnsafe2 {

    public static ChildUnsafe2 childUnsafe2;
    int age;

    ChildUnsafe2(int age){
        this.age = age;
        childUnsafe2 = this;
    }
}

上面我們看到，this的賦值被放到了構造方法的最後面，是不是就可以避免訪問到未初始化完畢的物件呢？

答案是否定的，因為java會對程式碼進行重排序，所以childUnsafe2 = this的位置是不定的。

我們需要這樣修改：

public class Childsafe2 {

    public volatile static Childsafe2 childUnsafe2;
    int age;

    Childsafe2(int age){
        this.age = age;
        childUnsafe2 = this;
    }
}

加一個volatile描述符，禁止重排序，完美解決。

我們再來看一個父子類的問題，還是上面的Childsafe2，我們再為它寫一個子類：

public class ChildUnsafe3 extends Childsafe2{

    private Object obj;

    ChildUnsafe3(int age){
       super(10);
       obj= new Object();
    }

    public void doSomething(){
        System.out.println(obj.toString());
    }
}

上面的例子有什麼問題呢？因為父類在呼叫建構函式的時候，已經暴露了this變數，所以可能會導致ChildUnsafe3中的obj還沒有被初始化的時候，外部程式就呼叫了doSomething()，這個時候obj還沒有被初始化，所以會丟擲NullPointerException。

解決辦法就是不要在建構函式中設定this，我們可以新建立一個方法，在建構函式呼叫完畢之後，再進行設定。

不要在類初始化的時候使用後臺執行緒

如果在類初始化的過程中，使用後臺程式，有可能會造成死鎖，我們考慮下面的情況：

public final class ChildFactory {
    private static int age;

    static {
        Thread ageInitializerThread = new Thread(()->{
            System.out.println("in thread running");
            age=10;
        });

        ageInitializerThread.start();
        try {
            ageInitializerThread.join();
        } catch (InterruptedException ie) {
            throw new AssertionError(ie);
        }
    }

    public static int getAge() {
        if (age == 0) {
            throw new IllegalStateException("Error initializing age");
        }
        return age;
    }

    public static void main(String[] args) {
        int age = getAge();
    }
}

上面的類使用了一個static的block，在這個block中，我們啟動一個後臺程式來設定age這個欄位。

為了保證可見性，static變數必須在其他執行緒執行之前初始化完畢，所以ageInitializerThread需要等待main執行緒的static變數執行完畢之後才能執行，但是我們又呼叫了ageInitializerThread.join()方法，主執行緒又需要反過來等待ageInitializerThread的執行完畢。

最終導致了迴圈等待，造成了死鎖。

最簡單的解決辦法就是不使用後臺程式，直接在static block中設定：

public final class ChildFactory2 {
    private static int age;

    static {
            System.out.println("in thread running");
            age=10;
    }

    public static int getAge() {
        if (age == 0) {
            throw new IllegalStateException("Error initializing age");
        }
        return age;
    }

    public static void main(String[] args) {
        int age = getAge();
    }
}

還有一種辦法就是使用ThreadLocal將初始化變數儲存線上程本地。

public final class ChildFactory3 {

    private static final ThreadLocal<Integer> ageHolder = ThreadLocal.withInitial(() -> 10);

    public static int getAge() {
        int localAge = ageHolder.get();
        if (localAge == 0) {
            throw new IllegalStateException("Error initializing age");
        }
        return localAge;
    }

    public static void main(String[] args) {
        int age = getAge();
    }
}

本文的程式碼：

learn-java-base-9-to-20/tree/master/security

本文已收錄於 http://www.flydean.com/java-security-code-line-threadsafe/

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