JAVA中的线程安全
JAVA中的线程安全
什么是线程安全
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。
指多个线程在执行同一段代码的时候采用加锁机制，使每次的执行结果和单线程执行的结果都是一样的，不存在执行程序时出现意外结果。
线程不安全：是指不提供加锁机制保护，有可能出现多个线程先后更改数据造成所得到的数据是脏数据。
线程封闭
实现好的并发是一件困难的事情，所以很多时候我们都想躲避并发。避免并发最简单的方法就是线程封闭。什么是线程封闭呢？就是把对象封装到一个线程里，只有这一个线程能看到此对象。那么这个对象就算不是线程安全的也不会出现任何安全问题。实现线程封闭有哪些方法呢？
ad-hoc线程封闭：
这是完全靠实现者控制的线程封闭，他的线程封闭完全靠实现者实现。Ad-hoc线程封闭非常脆弱，应该尽量避免使用。
栈封闭：
栈封闭是我们编程当中遇到的最多的线程封闭。什么是栈封闭呢？简单的说就是局部变量。多个线程访问一个方法，此方法中的局部变量都会被拷贝一份到线程栈中。所以局部变量是不会被多个线程所共享的，也就不会出现并发问题。所以能用局部变量就别用全局的变量，全局变量容易引起并发问题。
无状态的类
没有任何成员变量的类，就叫无状态的类，这种类一定是线程安全的。如果这个类的方法参数中使用了对象，也是线程安全的吗？比如：
public class StatelessClass {
public int service(int a,int b){
return a+b;
}
public void serviceUser(UserVo user){
//do sth user
}
}当然也是，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UserVo的对象实例，它自己并不会有问题，有问题的是UserVo这个类，而非StatelessClass本身。
让类不可变
让状态不可变，两种方式
加final关键字
加final关键字，对于一个类，所有的成员变量应该是私有的，同样的只要有可能，所有的成员变量应该加上final关键字，但是加上final，要注意如果成员变量又是一个对象时，这个对象所对应的类也要是不可变，才能保证整个类是不可变的。参见代码：
/**
* 类不可变
*/
public class ImmutableClass {
private final int a;
private final UserVo user = new UserVo();//不安全
public int getA() {
return a;
}
public UserVo getUser() {
return user;
}
public ImmutableClass(int a) {
this.a = a;
}
public static class User{
private int age;
public int getAge() {
return age;
}
public void setAge(int age) {
this.age = age;
}
}
}不提供返回值
根本就不提供任何可供修改成员变量的地方，同时成员变量也不作为方法的返回值。
/**
* 类不可变--事实不可变
*/
public class ImmutableClassToo {
private final List<Integer> list = new ArrayList<>(3);
public ImmutableClassToo() {
list.add(1);
list.add(2);
list.add(3);
}
public boolean isContain(int i){
return list.contains(i);
}
}但是要注意，一旦类的成员变量中有对象，上述的final关键字保证不可变并不能保证类的安全性，为何？因为在多线程下，虽然对象的引用不可变，但是对象在堆上的实例是有可能被多个线程同时修改的，没有正确处理的情况下，对象实例在堆中的数据是不可预知的。这就牵涉到了如何安全的发布对象这个问题。
public class ImmutableClass {
private final int a;
private final UserVo user = new UserVo(); //不安全
public int getA() {
return a;
}
public UserVo getUser() {
return user;
}
public ImmutableClass(int a) {
this.a = a;
}
public static class User{
private int age;
public int getAge() {
return age;
}
public void setAge(int age) {
this.age = age;
}
}
}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。
加锁和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。
安全的发布
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，参见代码：
/**
* 演示基本类型的发布
*/
public class SafePublish {
private int i;
public SafePublish() {
i = 2;
}
public int getI() {
return i;
}
public static void main(String[] args) {
SafePublish safePublish = new SafePublish();
int j = safePublish.getI();
System.out.println("before j="+j);
j = 3;
System.out.println("after j="+j);
System.out.println("getI = "+safePublish.getI());
}
}但是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。参见以下代码可以看见：
/**
* 不安全的发布
*/
public class UnSafePublish {
private List<Integer> list = new ArrayList<>(3);
public UnSafePublish() {
list.add(1);
list.add(2);
list.add(3);
}
public List getList() {
return list;
}
public static void main(String[] args) {
UnSafePublish unSafePublish = new UnSafePublish();
List<Integer> list = unSafePublish.getList();
System.out.println(list);
list.add(4);
System.out.println(list);
System.out.println(unSafePublish.getList());
}
}这个list发布出去后，是可以被外部线程之间修改，那么在多个线程同时修改的情况下不安全问题是肯定存在的，怎么修正这个问题呢？我们在发布这对象的时候，就应该用线程安全的方式包装这个对象。我们将list用Collections.synchronizedList进行包装以后，无论多少线程使用这个list，就都是线程安全的了。
/**
* 安全的发布
*/
public class SafePublishToo {
private List<Integer> list
= Collections.synchronizedList(new ArrayList<>(3));
public SafePublishToo() {
list.add(1);
list.add(2);
list.add(3);
}
public List getList() {
return list;
}
public static void main(String[] args) {
SafePublishToo safePublishToo = new SafePublishToo();
List<Integer> list = safePublishToo.getList();
System.out.println(list);
list.add(4);
System.out.println(list);
System.out.println(safePublishToo.getList());
}
}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。
TheadLocal方式
ThreadLocal是实现线程封闭的最好方法。ThreadLocal内部维护了一个Map，Map的key是每个线程的名称，而Map的值就是我们要封闭的对象。每个线程中的对象都对应着Map中一个值，也就是ThreadLocal利用Map实现了对象的线程封闭。
Servlet辨析
不是线程安全的类，为什么我们平时没感觉到：
1、在需求上，很少有共享的需求。
2、接收到了请求，返回应答的时候，一般都是由一个线程来负责的。但是只要Servlet中有成员变量，一旦有多线程下的写，就很容易产生线程安全问题。
其他安全问题
活锁
两个线程在尝试拿锁的机制中，发生多个线程之间互相谦让，不断发生同一个线程总是拿到同一把锁，在尝试拿另一把锁时因为拿不到，而将本来已经持有的锁释放的过程。解决办法：每个线程休眠随机数，错开拿锁的时间。
线程饥饿
低优先级的线程，总是拿不到执行时间。
并发下的性能
使用并发的目标是为了提高性能，引入多线程后，其实会引入额外的开销，如线程之间的协调、增加的上下文切换，线程的创建和销毁，线程的调度等等。过度的使用和不恰当的使用，会导致多线程程序甚至比单线程还要低。
衡量应用的程序的性能
服务时间，延迟时间，吞吐量，可伸缩性等等，其中服务时间，延迟时间（多快），吞吐量（处理能力的指标，完成工作的多少）。多快和多少，完全独立，甚至是相互矛盾的。
对服务器应用来说
多少（可伸缩性，吞吐量）这个方面比多快更受重视。
我们做应用的时候
- 先保证程序正确，确实达不到要求的时候，再提高速度。（黄金原则）
- 一定要以测试为基准。
线程引入的开销
线程引入的开销
如果主线程是唯一的线程，那么它基本上不会被调度出去。另一方面，如果可运行的线程数大于CPU的数量，那么操作系统最终会将某个正在运行的线程调度出来，从而使其他线程能够使用CPU。这将导致一次上下文切换，在这个过程中将保存当前运行线程的执行上下文，并将新调度进来的线程的执行上下文设置为当前上下文。上下文切换有点像我们同时阅读几本书，在来回切换书本的同时我们需要记住每本书当前读到的页码。
切换上下文需要一定的开销，而在线程调度过程中需要访问由操作系统和JVM共享的数据结构。应用程序、操作系统以及JVM都使用一组相同的CPU。在JVM和操作系统的代码中消耗的CPU时钟周期越多，应用程序的可用CPU时钟周期就越少，但上下文切换的开销并不只是包含JVM和操作系统的开销。当一个新的线程被切换进来时，它所需要的数据可能不在当前处理器的本地缓存中，因此上下文切换将导致一些缓存缺失，因而线程在首次调度运行时会更加缓慢。
当线程由于等待某个发生竞争的锁而被阻塞时，JVM通常会将这个线程挂起，并允许它被交换出去。如果线程频繁地发生阻塞，那么它们将无法使用完整的调度时间片。在程序中发生越多的阻塞(包括阻塞IO,等待获取发生竞争的锁，或者在条件变量上等待)与CPU密集型的程序就会发生越多的上下文切换，从而增加调度开销，并因此而降低吞吐量。
上下文切换是计算密集型操作。也就是说，它需要相当可观的处理器时间。所以上下文切换对系统来说意味着消耗大量的CPU时间，事实上可能是操作系统中时间消耗最大的操作。上下文切换的实际开销会随着平台的不同而变化，然而按照经验来看，在大多数通用的处理器中上下文切换的开销相当于50~10000个时钟周期，也就是几微秒。
UNIX系统的 vmstat命令能报告上下文切换次数以及在内核中执行时间所占比例等信息。如果内核占用率较高(超过10%),那么通常表示调度活动发生得很频繁，这很可能是由IO或竞争锁导致的阻塞引起的。
内存同步
同步操作的性能开销包括多个方面，在 synchronized和 volatile提供的可见性保证中可能会使用一些特殊指令,即内存栅栏( Memory Barrier)。内存栅栏可以刷新缓存，使缓存无效刷新硬件的写缓冲以及停止执行管道。内存栅栏可能同样会对性能带来间接的影响，因为它们将抑制一些编译器优化操作。在内存栅栏中大多数操作都是不能被重排序的。
阻塞
引起阻塞的原因
包括阻塞IO等待获取发生竞争的锁，或者在条件变量上等待等等。
阻塞会导致线程挂起
【挂起：挂起进程在操作系统中可以定义为暂时被淘汰出内存的进程，机器的资源是有限的，在资源不足的情况下，操作系统对在内存中的程序进行合理的安排，其中有的进程被暂时调离出内存，当条件允许的时候，会被操作系统再次调回内存，重新进入等待被执行的状态即就绪态，系统在超过一定的时间没有任何动作】。
很明显这个操作至少包括两次额外的上下文切换，还有相关的操作系统级的操作等等。
线程安全的单例模式
双重检查锁定
比较老的方式，线程不安全
原理：在getInstance()方法中，进行两次null检查。这样可以极大提升并发度，进而提升性能。
public class SingletonDoubleCheck {
//TODO 注意如果不适用volatile 关键字无法保证线程安全
private volatile static SingletonDoubleCheck sDoubleCheck;
private SingletonDoubleCheck() {}
public static SingletonDoubleCheck getInstance() {
//第一次检查，不加锁
if(sDoubleCheck == null) {
System.out.println(Thread.currentThread()+" is null");
synchronized(SingletonDoubleCheck.class) {
//第二次检查，加锁情况下
if(sDoubleCheck == null) {
System.out.println(Thread.currentThread()+" is null");
//内存中分配空间 1
//空间初始化 2
//把这个空间的地址给我们的引用 3
sDoubleCheck = new SingletonDoubleCheck();
}
}
}
return sDoubleCheck;
}
}解决办法，加volatile关键字。
静态内部类实现单例模式（无锁方式）
原理：通过一个静态内部类定义一个静态变量来持有当前类实例，在类加载时就创建好，使用时获取。
缺点：无法做到延迟创建对象，在类加载时进行创建会导致初始化时间变长。
public class LazySingleton {
//TODO 通过private修饰，就是为了防止这个类被随意创建
private LazySingleton(){}
//TODO 利用虚拟机的类初始化机制创建单例
private static class SingletonHolder {
private static LazySingleton instance = new LazySingleton();
}
//TODO
public static LazySingleton getInstance() {
return SingletonHolder.instance;
}
}懒汉式
原理：类延迟创建，在单例类的内部由一个私有静态内部类来持有这个单例类的实例，延迟占位模式还可以用在多线程下实例域的延迟赋值。
缺点：由于synchronized的存在，多线程时效率很低。
public class LazySingletonSynchronized {
//TODO 通过private修饰，就是为了防止这个类被随意创建,只有内部自己可以创建
private LazySingletonSynchronized(){
System.out.println("LazySingleton is created!!");
}
// TODO 首先instance对象必须是private并且static，如果不是private那么instance的安全无法得到保证
//TODO 其次因为工厂方法必须是static，因此变量instance也必须是static
private static LazySingletonSynchronized instance = null;
// TODO 为了防止对象被多次创建，使用synchronized关键字进行同步（缺点是并发环境下加锁，竞争激励的场合可能对性能产生一定影响）
public static synchronized LazySingletonSynchronized getInstance() {
if(instance == null) {
instance = new LazySingletonSynchronized();
}
return instance;
}
}饿汉式
原理：在声明的时候就new这个类的实例，因为在JVM中，对类的加载和类初始化，由虚拟机保证线程安全，每次要用时直接返回。
缺点：无法做到延迟创建对象，在类加载时进行创建会导致初始化时间变长。
public class SingletonSynchronized {
//TODO 通过private修饰，就是为了防止这个类被随意创建,只有内部自己可以创建
private SingletonSynchronized(){ }
// TODO 首先instance对象必须是private并且static，如果不是private那么instance的安全无法得到保证
//TODO 其次因为工厂方法必须是static，因此变量instance也必须是static
private static SingletonSynchronized instance = new SingletonSynchronized();
public static SingletonSynchronized getInstance() {
return instance;
}
}上述4种方式实现单例模式的缺点
反序列化对象时会破环单例
反序列化对象时不会调用getXX()方法，于是绕过了确保单例的逻辑，直接生成了一个新的对象，破环了单例。
解决办法是：重写类的反序列化方法，在反序列化方法中返回单例而不是创建一个新的对象。
//反序列时直接返回当前INSTANCE
private Object readResolve() {
return INSTANCE;
}使用反射
在代码中通过反射机制，直接调用类的私有构造函数创建新的对象，会破环单例
解决办法是：维护一个volatile的标志变量在第一次创建实例时置为false；重写构造函数，根据标志变量决定是否允许创建。
private static volatile boolean flag = true;
private Singleton(){
if(flag){
flag = false; //第一次创建时，改变标志
}else{
throw new RuntimeException(“The instance already exists ！”);
}使用枚举
原理：定义枚举类型，里面只维护一个实例，以此保证单例。每次取用时都从枚举中取，而不会取到其他实例。
public enum SingletonEnum {
INSTANCE;
private String name;
public String getName(){
return name;
}
public void setName(String name){
this.name = name;
}
}优点
- 使用SingletonEnum.INSTANCE进行访问，无需再定义getInstance方法和调用该方法。
- JVM对枚举实例的唯一性，避免了上面提到的反序列化和反射机制破环单例的情况出现：每一个枚举类型和定义的枚举变量在JVM中都是唯一的。
原因：枚举类型在序列化时仅仅是将枚举对象的name属性输出到结果中，反序列化的时候则是通过java.lang.Enum的valueOf方法来根据名字查找枚举对象。
同时，编译器禁止重写枚举类型的writeObject、readObject、readObjectNoData、writeReplace和readResolve等方法。
如何减少锁的竞争
减少锁的粒度
使用锁的时候，锁所保护的对象是多个，当这些多个对象其实是独立变化的时候，不如用多个锁来一一保护这些对象。但是如果有同时要持有多个锁的业务方法，要注意避免发生死锁
缩小锁的范围
对锁的持有实现快进快出，尽量缩短持由锁的的时间。将一些与锁无关的代码移出锁的范围，特别是一些耗时，可能阻塞的操作
避免多余的锁
两次加锁之间的语句非常简单，导致加锁的时间比执行这些语句还长，这个时候应该进行锁粗化—扩大锁的范围。
锁分段
ConcurrrentHashMap就是典型的锁分段。
替换独占锁
在业务允许的情况下
- 使用读写锁。
- 用自旋CAS。
- 使用系统的并发容器。
微信
支付宝
