什么是线程安全

当多个线程访问某个类时,不管运行环境采用何种调度方式或者这些线程如何交替执行,并且在主调代码中不需要任何额外的同步或协同,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。

竞态条件

当某个计算的正确性取决于多个线程的交替执行时序时,那么就会发生竞态条件。换句话说就是正确的结果取决于运气。

数据竞争

数据竞争是指,如果在访问非final类型的域时没有采用同步来进行协同,那么就会出现竞争。

重入

由于内置锁是可以重入的,因此如果某个线程试图获得一个已由它自己持有的锁,那么这个请求就会成功。“重入”意味着获取锁的操作的粒度是“线程”,不是“调用”。(这与pthread<POSIX线程>互斥体的默认加锁行为是不同,pthread互斥体的获取锁操作是以“调用”为粒度的)

用锁来保护状态

如果用同步锁来协调对某个变量的访问,那么子访问这个变量的所有位置上都需要使用同步。而且,当使用锁来协调某个变量的访问时,在访问变量的所有位置上都要使用同一个锁。

活跃性

安全性的含义是“永远不发生糟糕的事情”,而活跃性则关注于另一个目标,即“某件正确的事情最终会发生”。当某个操作无法继续执行下去时,就会发生活跃性问题。

当执行时间较长的计算或者可能无法快速完成的操作时(例如,网络I/O或控制台I/0),一定不要持有锁。

volatile变量

从内存可见性的角度来看,写入volatile变量相当于退出同步代码块,而读取volatile变量相当于进入同步代码块。

volatile变量的正确使用方式包括:确保它们自身状态的可见性,确保它们所有引用对象的状态可见性,以及标志一些重要的程序声明周期时间发生(例如,初始化或关闭)。

发布与逸出

“发布(Publish)”一个对象的意思是指,使对象能够在当前作用域之外的代码中使用。

当某个不应该发布的对象被发布时,这种情况称之为“逸出(Escape)”。

线程封闭

当访问共享的可变数据时,通常需要使用同步。一种避免使用同步的方式就是不共享数据,就不需要同步。这种技术称之为线程封闭(Thread Confinement),它是实现线程安全性的最简单方式之一。这种用法将自动实现线程安全性,即使被封闭的对象本身不是线程安全的。

线程封闭是在程序设计中考虑的一个因素,必须在程序中实现。维持线程封闭的一种更规范方法是使用ThreadLocal。

Ad-hoc线程封闭

Ad-hoc线程封闭是指,维护线程封闭性职责完全由程序实现来承担。

栈封闭

栈封闭是线程封闭的一个特例,在栈封闭中,只能通过局部变量才能访问对象。局部变量的固有属性之一就是封闭在执行线程中。在维持对象引用的栈封闭时,程序员需要多做一些工作以确保被引用的对象不会逸出。

(只有编写代码的开发人员才知道哪些对象需要被封闭到线程中,如果没有明确的文档说明,后期维护的人员很容易错误的使对象逸出)

不变性

如果某个对象在被创建后其状态就不能被修改,那么这个对象就称之为不可变对象。

不可变需求:状态不可修改,所有域都是final域,以及正确的构造过程。

Final域

在Java内存模型中,final域还有着特殊的语义。final域能确保初始化过程的安全性,从而可以不受限制地访问不可变对象,并在共享这些对象时无须同步。

事实不可变对象

如果对象从技术上来说是可变的,但其状态在发布后不会再改变,那么把这种对象称之为事实不可变对象(Effectively Immutable Object)。

不可变对象可以通过任意机制来发布

事实不可变对象必须通过安全方式发布。

可变对象必须通过方式发布,并且必须是线程安全的或者由某个锁保护起来。

并发程序中共享对象

线程封闭、只读共享、线程安全共享、保护对象。

客户端加锁机制

客户端加锁机制是指,对于使用某个对象X的客户端代码,使用X本身用于保护其状态的锁来这段客户端代码。要使用客户端加锁,你必须知道对象X使用的是哪一个锁。

闭锁

闭锁是一种同步工具类,可以延迟线程的进度直到其达到终止状态。

计数信号量

计数信号量用来控制同时访问某个特定资源的操作数量,或者同时执行某个指定操作的数量

二值信号量

二值信号量可以用作互斥体,并具备不可重入的加锁语义:谁拥有这个唯一的许可,谁就拥有了互斥锁。

栅栏

栅栏类似于闭锁,它能组织一组线程直到某个事件发生。栅栏与闭锁的关键区别在于,所有线程必须同时到达栅栏的位置,才能继续执行。闭锁用于等待事件,而栅栏用于等待其他线程。

Exchanger栅栏

这是一种两方栅栏,各方在栅栏位置交换数据,当两方执行不对称操作时,Exchanger会非常有用,例如当一个线程向缓冲区写入数据,而另一个线程从缓冲区读取数据。

缓存导致性能瓶颈转移

简单的缓存可能会将性能的瓶颈转变成可伸缩性瓶颈,即使缓存用于提升单单线程的性能。

总结

  • 可变状态是至关重要的。
  • 尽量将域声明为final类型,除非需要它们是可变的。
  • 不可变对象一定是线程安全的。
  • 封装有助于管理复杂性。
  • 用锁来保护每个可变变量。
  • 当保护同一个不变性条件中的所有变量时,要使用同一个锁。
  • 在执行符合操作期间,要持有锁。
  • 如果多个线程中访问同一个可变变量时没有同步机制,那么程序会出先问题。
  • 不要故作聪明的推断出不需要使用同步。
  • 在设计过程中考虑线程安全,或者在文档中明确的指出它不是线程安全的。
  • 将同步策略文档化。

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