java并发安全

　　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。