java虚拟机中的线程安全

我不是女神ヾ 2022-06-18 08:19 114阅读 0赞

一、概述  
当多个线程访问一个对象时，如果不用考虑这些线程在运行时环境下的调度和交替执行，也不需要进行额外的同步，或者在调用方进行任何其他的协调操作，调用这个对象的行为都可以获得正确的结果，那这个对象是线程安全的。  
我们这里讨论的线程安全，就限定于多个线程之间存在共享数据访问这个前提，因为如果一段代码根本不会与其他线程共享数据，那么从线程安全的角度来看，程序是串行执行还是多线程执行对它来说是完全没有区别的。  
为了更加深入地理解线程安全，我们可以将Java语言中各种操作共享的数据分为以下5类：不可变、 绝对线程安全、相对线程安全、线程兼容和线程对立。下面来一一介绍。  
  
二、线程安全详述  
1、不可变  
在Java语言中（特指JDK 1.5以后，即Java内存模型被修正之后的Java语言），不可变（Immutable）的对象一定是线程安全的，无论是对象的方法实现还是方法的调用者，都不需要再采取任何的线程安全保障措施，“不可变”带来的安全性是最简单和最纯粹的。  
Java语言中，如果共享数据是一个基本数据类型，那么只要在定义时使用final关键字修饰它就可以保证它是不可变的。 如果共享数据是一个对象，那就需要保证对象的行为不会对其状态产生任何影响才行，不妨想一想java.lang.String类的对象，它是一个典型的不可变对象，我们调用它的substring（）、 replace（）和concat（）这些方法都不会影响它原来的值，只会返回一个新构造的字符串对象。保证对象行为不影响自己状态的途径有很多种，其中最简单的就是把对象中带有状态的变量都声明为final，这样在构造函数结束之后，它就是不可变的。  
在Java API中符合不可变要求的类型，除了上面提到的String之外，常用的还有枚举类型，以及java.lang.Number的部分子类，如Long和Double等数值包装类型，BigInteger和BigDecimal等大数据类型；但同为Number的子类型的原子类AtomicInteger和AtomicLong则并非不可变的。  
2、绝对线程安全  
绝对的线程安全完全满足线程安全的定义，这个定义其实是很严格的，一个类要达到“不管运行时环境如何，调用者都不需要任何额外的同步措施”通常需要付出很大的，甚至有时候是不切实际的代价。在Java API中标注自己是线程安全的类，大多数都不是绝对的线程安全。 我们可以通过Java API中一个不是“绝对线程安全”的线程安全类来看看这里的“绝对”是什么意思。  
如果说java.util.Vector是一个线程安全的容器，相信所有的Java程序员对此都不会有异议，因为它的add（）、 get（）和size（）这类方法都是被synchronized修饰的，尽管这样效率很低，但确实是安全的。 但是，即使它所有的方法都被修饰成同步，也不意味着调用它的时候永远都不再需要同步手段了。比如如果有一个线程恰好在错误的时间里删除了Vector的一个元素，导致序号i已经不再可用的话，另一个再用i访问数组就会抛出一个ArrayIndexOutOfBoundsException。  
3、相对线程安全  
相对的线程安全就是我们通常意义上所讲的线程安全，它需要保证对这个对象单独的操作是线程安全的，我们在调用的时候不需要做额外的保障措施，但是对于一些特定顺序的连续调用，就可能需要在调用端使用额外的同步手段来保证调用的正确性。在Java语言中，大部分的线程安全类都属于这种类型，例如Vector、 HashTable、Collections中的synchronizedCollection（）方法包装的集合等。  
4、线程兼容  
线程兼容是指对象本身并不是线程安全的，但是可以通过在调用端正确地使用同步手段  
来保证对象在并发环境中可以安全地使用，我们平常说一个类不是线程安全的，绝大多数时  
候指的是这一种情况。Java API中大部分的类都是属于线程兼容的，如与前面的Vector和HashTable相对应的集合类ArrayList和HashMap等。  
5、线程对立  
线程对立是指无论调用端是否采取了同步措施，都无法在多线程环境中并发使用的代码。由于Java语言天生就具备多线程特性，线程对立这种排斥多线程的代码是很少出现的，而且通常都是有害的，应当尽量避免。一个线程对立的例子是Thread类的suspend（）和resume（）方法，如果有两个线程同时持有一个线程对象，一个尝试去中断线程，另一个尝试去恢复线程，如果并发进行的话，无论调用时是否进行了同步，目标线程都是存在死锁风险的，如果suspend（）中断的线程就是即将要执行resume（）的那个线程，那就肯定要产生死锁了。 也正是由于这个原因，suspend（）和resume（）方法已经被JDK声明废弃（@Deprecated）了。常见的线程对立的操作还有System.setIn（）、 Sytem.setOut（）和System.runFinalizersOnExit（）等。  
  
三、线程安全的实现方法  
互斥同步（Mutual Exclusion＆Synchronization）是常见的一种并发正确性保障手段。 同步是指在多个线程并发访问共享数据时，保证共享数据在同一个时刻只被一个（或者是一些，使用信号量的时候）线程使用。 而互斥是实现同步的一种手段，临界区（CriticalSection）、 互斥量（Mutex）和信号量（Semaphore）都是主要的互斥实现方式。 因此，在这4个字里面，互斥是因，同步是果；互斥是方法，同步是目的。在Java中，最基本的互斥同步手段就是synchronized关键字，synchronized关键字经过编译之后，会在同步块的前后分别形成monitorenter和monitorexit这两个字节码指令，这两个字节码都需要一个reference类型的参数来指明要锁定和解锁的对象。如果Java程序中的synchronized明确指定了对象参数，那就是这个对象的reference；如果没有明确指定，那就根据synchronized修饰的是实例方法还是类方法，去取对应的对象实例或Class对象来作为锁对象。  
根据虚拟机规范的要求，在执行monitorenter指令时，首先要尝试获取对象的锁。 如果这个对象没被锁定，或者当前线程已经拥有了那个对象的锁，把锁的计数器加1。相应的，在执行monitorexit指令时会将锁计数器减1，当计数器为0时，锁就被释放。 如果获取对象锁失败，那当前线程就要阻塞等待，直到对象锁被另外一个线程释放为止。在虚拟机规范对monitorenter和monitorexit的行为描述中，有两点是需要特别注意的。 首先，synchronized同步块对同一条线程来说是可重入的，不会出现自己把自己锁死的问题。 其次，同步块在已进入的线程执行完之前，会阻塞后面其他线程的进入。Java的线程是映射到操作系统的原生线程之上的，如果要阻塞或唤醒一个线程，都需要操作系统来帮忙完成，这就需要从用户态转换到核心态中，因此状态转换需要耗费很多的处理器时间。对于代码简单的同步块（如被synchronized修饰的getter（）或setter（）方法），状态转换消耗的时间有可能比用户代码执行的时间还要长。 所以synchronized是Java语言中一个重量级（Heavyweight）的操作，有经验的程序员都会在确实必要的情况下才使用这种操作。 而虚拟机本身也会进行一些优化，譬如在通知操作系统阻塞线程之前加入一段自旋等待过程，避免频繁地切入到核心态之中。  
除了synchronized之外，我们还可以使用java.util.concurrent（下文称J.U.C）包中的重入锁（ReentrantLock）来实现同步，在基本用法上，ReentrantLock与synchronized很相似，他们都具备一样的线程重入特性，只是代码写法上有点区别，一个表现为API层面的互斥锁（lock（）和unlock（）方法配合try/finally语句块来完成），另一个表现为原生语法层面的互斥锁。 不过，相比synchronized,ReentrantLock增加了一些高级功能，主要有以下3项：等待可中断、 可实现公平锁，以及锁可以绑定多个条件。  
等待可中断是指当持有锁的线程长期不释放锁的时候，正在等待的线程可以选择放弃等待，改为处理其他事情，可中断特性对处理执行时间非常长的同步块很有帮助。  
公平锁是指多个线程在等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序来依次获得锁；而非公平锁则不保证这一点，在锁被释放时，任何一个等待锁的线程都有机会获得锁。synchronized中的锁是非公平的，ReentrantLock默认情况下也是非公平的，但可以通过带布尔值的构造函数要求使用公平锁。  
锁绑定多个条件是指一个ReentrantLock对象可以同时绑定多个Condition对象，而在synchronized中，锁对象的wait（）和notify（）或notifyAll（）方法可以实现一个隐含的条件，如果要和多于一个的条件关联的时候，就不得不额外地添加一个锁，而ReentrantLock则无须这样做，只需要多次调用newCondition（）方法即可。