什麼時候執行緒不安全？怎樣做到執行緒安全？怎麼擴充套件執行緒安全的類？

爬蜥發表於2018-09-15

執行緒套件

當多個執行緒去訪問某個類時，如果類會表現出我們預期出現的行為，那麼可以稱這個類是執行緒安全的。

什麼時候會出現執行緒不安全？

操作並非原子。多個執行緒執行某段程式碼，如果這段程式碼產生的結果受不同執行緒之間的執行時序影響，而產生非預期的結果，即發生了競態條件，就會出現執行緒不安全;
常見場景：
1. count++。它本身包含三個操作，讀取、修改、寫入，多執行緒時，由於執行緒執行的時序不同，有可能導致兩個執行緒執行後count只加了1，而原有的目標確實希望每次執行都加1；
2. 單例。多個執行緒可能同時執行到instance == null成立，然後新建了兩個物件，而原有目標是希望這個物件永遠只有一個；
```
public MyObj getInstance(){
   if (instance == null){
       instance = new MyObj();
   }
   return instance
}
複製程式碼
```
解決方式是：當前執行緒在操作這段程式碼時，其它執行緒不能對進行操作
常見方案：
1. 單個狀態使用 java.util.concurrent.atomic包中的一些原子變數類，注意如果是多個狀態就算每個操作是原子的，複合使用的時候並不是原子的；
2. 加鎖。比如使用 synchronized 包圍對應程式碼塊，保證多執行緒之間是互斥的，注意應儘可能的只包含在需要作為原子處理的程式碼塊上；
synchronized的可重入性

當執行緒要去獲取它自己已經持有的鎖是會成功的，這樣的鎖是可重入的，synchronized是可重入的
```
class Paxi {
   public synchronized  void sayHello(){
       System.out.println("hello");
   }
}

class  MyClass extends Paxi{
   public synchronized void  dosomething(){
       System.out.println("do thing ..");
       super.sayHello();
       System.out.println("over");
   }
}
複製程式碼
```
它的輸出為
```
do thing ..
hello
over
複製程式碼
```
修改不可見。讀執行緒無法感知到其它執行緒寫入的值

常見場景：
1. 重排序。在沒有同步的情況下，編譯器、處理器以及執行時等都有可能對操作的執行順序進行調整，即寫的程式碼順序和真正的執行順序不一樣,導致讀到的是一個失效的值
2. 讀取long、double等型別的變數。JVM允許將一個64位的操作分解成兩個32位的操作，讀寫在不同的執行緒中時，可能讀到錯誤的高低位組合
常見方案：
1. 加鎖。所有執行緒都能看到共享變數的最新值；
2. 使用Volatile關鍵字宣告變數。只要對這個變數產生了寫操作，那麼所有的讀操作都會看到這個修改;
注意：Volatile並不能保證操作的原子性，比如count++操作同樣有風險，它僅保證讀取時返回最新的值。使用的好處在於訪問Volatile變數並不會執行加鎖操作，也就不會阻塞執行緒。

不同步的情況下如何做到執行緒安全？

執行緒封閉。即僅在單執行緒內訪問資料，執行緒封閉技術有以下幾種：
- Ad-hoc執行緒封閉。即靠自己寫程式來實現，比如保證程式只在單執行緒上對volatile進行 讀取-修改-寫入
- 棧封閉。所有的操作都反生執行執行緒的棧中，比如在方法中的一個區域性變數
- ThreadLocal類。內部維護了每個執行緒和變數的一個獨立副本

只讀共享。即使用不可變的物件。

使用final去修飾欄位，這樣這個欄位的“值”是不可改變的

注意final如果修飾的是一個物件引用，比如set,它本身包含的值是可變的

建立一個不可變的類，來包含多個可變的資料。

class OneValue{
   //建立不可變物件，建立之後無法修改，事實上這裡也沒有提供修改的方法
    private final BigInteger  last;
    private final BigInteger[] lastfactor;
    public OneValue(BigInteger  i,BigInteger[] lastfactor){
       this.last=i;
       this.lastfactor=Arrays.copy(lastfactor,lastfactor.length);
    }
   public BigInteger[] getF(BigInteger  i){
        if(last==null || !last.equals(i)){
            return null;
        }else{
            return Arrays.copy(lastfactor,lastfactor.length)
        }
   }
}
class MyService {
   //volatile使得cache一經更改，就能被所有執行緒感知到
   private volatile OneValue cache=new OneValue(null,null); 
   public void handle(BigInteger i){
       BigInteger[] lastfactor=cache.getF(i);
       if(lastfactor==null){
          lastfactor=factor(i);
          //每次都封裝最新的值
          cache=new OneValue(i,lastfactor)
       }
       nextHandle(lastfactor)
   }
}
複製程式碼

如何構造執行緒安全的類？

例項封閉。將一個物件封裝到另一個物件中，這樣能夠訪問被封裝物件的所有程式碼路徑都是已知的，通過合適的加鎖策略可以確保被封裝物件的訪問是執行緒安全的。

java中的Collections.synchronizedList使用的原理就是這樣。部分程式碼為

  public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list) {
           return (list instanceof RandomAccess ?
                   new SynchronizedRandomAccessList<>(list) :
                   new SynchronizedList<>(list));
       }
複製程式碼

SynchronizedList的實現,注意此處用到的mutex是內建鎖

       static class SynchronizedList<E>
           extends SynchronizedCollection<E>
           implements List<E> {
           private static final long serialVersionUID = -7754090372962971524L;
   
           final List<E> list;
          public E get(int index) {
               synchronized (mutex) {return list.get(index);}
           }
           public E set(int index, E element) {
               synchronized (mutex) {return list.set(index, element);}
           }
           public void add(int index, E element) {
               synchronized (mutex) {list.add(index, element);}
           }
           public E remove(int index) {
               synchronized (mutex) {return list.remove(index);}
           }
       }
複製程式碼

mutex的實現

static class SynchronizedCollection<E> implements Collection<E>, >Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 3053995032091335093L;
    final Collection<E> c;  // Backing Collection
    final Object mutex;     // Object on which to synchronize
    SynchronizedCollection(Collection<E> c) {
        if (c==null)
        throw new NullPointerException();
        this.c = c;
        mutex = this; // mutex實際上就是物件本身
        }
複製程式碼

什麼是監視器模式

java的監視器模式，將物件所有可變狀態都封裝起來，並由物件自己的內建鎖來保護,即是一種例項封閉。比如HashTable就是運用的監視器模式。它的get操作就是用的synchronized，內建鎖，來實現的執行緒安全

public synchronized V get(Object key) {
    Entry tab[] = table;
    int hash = hash(key);
    int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;
    for (Entry<K,V> e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {
        if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {
            return e.value;
        }
    }
    return null;
}
複製程式碼

內建鎖
每個物件都有內建鎖。內建鎖也稱為監視器鎖。或者可以簡稱為監視器
執行緒執行一個物件的用synchronized修飾的方法時，會自動的獲取這個物件的內建鎖，方法返回時自動釋放內建鎖，執行過程中就算丟擲異常也會自動釋放。
以下兩種寫法等效:
```
synchronized void myMethdo(){
    //do something
}
void myMethdo(){ 
    synchronized(this){
    //do somthding
    } 
    
}
複製程式碼
```
官方文件

私有鎖

public class PrivateLock{
    private Object mylock = new Object(); //私有鎖
    void myMethod(){
        synchronized(mylock){
            //do something
        }
    }
}
複製程式碼

它也可以用來保護物件，相對內建鎖，優勢在於私有鎖可以有多個，同時可以讓客戶端程式碼顯示的獲取私有鎖

類鎖
在staic方法上修飾的，一個類的所有物件共用一把鎖

把執行緒安全性委託給執行緒安全的類

如果一個類中的各個元件都是執行緒安全的，該類是否要處理執行緒安全問題？

視情況而定。

只有單個元件，且它是執行緒安全的。

public class DVT{
    private final ConcurrentMap<String,Point> locations;
    private final Map<String,Point> unmodifiableMap;
        
    public DVT(Map<String,Point> points){
        locations=new ConcurrentHashMap<String,Point>(points);
        unmodifiableMap=Collections.unmodifiableMap(locations);
        }
        
    public Map<String,Point> getLocations(){
        return unmodifiableMap;
        }
        
    public Point getLocation(String id){
        return locations.get(id);
        }
        
    public void setLocation(String id,int x,int y){
        if(locations.replace(id,new Point(x,y))==null){
            throw new IllegalArgumentException("invalid "+id);
            }
        }
        
    }
    
    public class Point{
        public final int x,y;
        public Point(int x,int y){
            this.x=x;
            this.y=y;
        }
    }
複製程式碼

執行緒安全性分析

Point類本身是無法更改的，所以它是執行緒安全的，DVT返回的Point方法也是執行緒安全的
DVT的方法getLocations返回的物件是不可修改的，是執行緒安全的
setLocation實際操作的是ConcurrentHashMap它也是執行緒安全的

綜上，DVT的安全交給了‘locations’，它本身是執行緒安全的，DVT本身雖沒有任何顯示的同步，也是執行緒安全。這種情況下，就是DVT的執行緒安全實際是委託給了‘locations’,整個DVT表現出了執行緒安全。

執行緒安全性委託給了多個狀態變數
只要多個狀態變數之間彼此獨立，組合的類並不會在其包含的多個狀態變數上增加不變性。依賴的增加則無法保證執行緒安全

public class NumberRange{
private final AtomicInteger lower = new AtomicInteger(0);
private final AtomicInteger upper = new AtomicInteger(0);
    
    public void setLower(int i){
    //先檢查後執行，存在隱患
    if (i>upper.get(i)){
        throw new IllegalArgumentException('can not ..');
        }
        lower.set(i);
            
        }
            
    public void setUpper(int i){
    //先檢查後執行，存在隱患
        if(i<lower.get(i)){
        throw new IllegalArgumentException('can not ..');
        }
        upper.set(i);
        }
            
    }
複製程式碼

setLower和setUpper都是‘先檢查後執行’的操作，但是沒有足夠的加鎖機制保證操作的原子性。假設原始範圍是(0,10),一個執行緒呼叫 setLower(5),一個設定setUpper(4)錯誤的執行時序將可能導致結果為(5,4)

如何對現有的執行緒安全類進行擴充套件？

假設需要擴充套件的功能為 ‘沒有就新增’。

直接修改原有的程式碼。但通常沒有辦法修改原始碼
繼承。繼承原有的程式碼，新增新的功能。但是同步策略儲存在兩份檔案中，如果底層同步策略變更，很容易出問題

組合。將類放入一個輔助類中，通過輔助類的操作程式碼。比如擴充套件 Collections.synchronizedList。期間需要注意鎖的機制，錯誤方式為

    public class ListHelper<E>{
        public List<E> list=Collections.synchronizedList(new ArrayList<E>());
        ...
        public synchronized boolean putIfAbsent(E x){
            boolean absent = !list.contains(x);
            if(absent){
               list.add(x);
            }
            return absent;
        }
    }
複製程式碼

這裡的putIfAbsent並不能帶來執行緒安全，原因是list的內建鎖並不是ListHelper,也就是putIfAbsent相對list的其它方法並不是原子的。Collections.synchronizedList是鎖在list本身的，正確方式為

public  boolean putIfAbsent(E x){
    synchronized(list){
        boolean absent = !list.contains(x);
        if(absent){
            list.add(x);
        }
        return absent;
    }
}
複製程式碼

另外可以不管要操作的類是否是執行緒安全，對類統一新增一層額外的鎖。實現參考Collections.synchronizedList方法

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