并发编程（八）并发安全

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。

线程封闭

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。

实现方法：

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

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。

public class StatelessClass {
    public int service(int a,int b){
        return a+b;
    }

    public void serviceUser(UserVo user){//使用对象的情况下也是线程安全的，对于staelessClass来说，它并不持有UserVo对象实例，自己没有任何问题。
        //do sth user
    }
}

让类不可变

让状态不可变，两种方式：

1，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。

2，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。

public class ImmutableClassToo {
    private 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。

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。

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。

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());
    }
}

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。

 private List<Integer> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<Integer>(3));

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。

ThreadLocal

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。

Spring辨析

spring进行bean初始化的时候，使用了synchronized加锁，IOC容器使用的HashMap容器而非ConcurrentHashMap,原因在于spring总beande 初始化仅进行一次的，后续多是读操作，所以并没有使用ConcurrentHashMap.

/**
     * Obtain an object to expose from the given FactoryBean.
     * @param factory the FactoryBean instance
     * @param beanName the name of the bean
     * @param shouldPostProcess whether the bean is subject to post-processing
     * @return the object obtained from the FactoryBean
     * @throws BeanCreationException if FactoryBean object creation failed
     * @see org.springframework.beans.factory.FactoryBean#getObject()
     */
    protected Object getObjectFromFactoryBean(FactoryBean<?> factory, String beanName, boolean shouldPostProcess) {
        if (factory.isSingleton() && containsSingleton(beanName)) {
            synchronized (getSingletonMutex()) {
                Object object = this.factoryBeanObjectCache.get(beanName);
                if (object == null) {
                    object = doGetObjectFromFactoryBean(factory, beanName);
                    // Only post-process and store if not put there already during getObject() call above
                    // (e.g. because of circular reference processing triggered by custom getBean calls)
                    Object alreadyThere = this.factoryBeanObjectCache.get(beanName);
                    if (alreadyThere != null) {
                        object = alreadyThere;
                    }
                    else {
                        if (object != null && shouldPostProcess) {
                            try {
                                object = postProcessObjectFromFactoryBean(object, beanName);
                            }
                            catch (Throwable ex) {
                                throw new BeanCreationException(beanName,
                                        "Post-processing of FactoryBean's singleton object failed", ex);
                            }
                        }
                        this.factoryBeanObjectCache.put(beanName, (object != null ? object : NULL_OBJECT));
                    }
                }
                return (object != NULL_OBJECT ? object : null);
            }
        }
        else {
            Object object = doGetObjectFromFactoryBean(factory, beanName);
            if (object != null && shouldPostProcess) {
                try {
                    object = postProcessObjectFromFactoryBean(object, beanName);
                }
                catch (Throwable ex) {
                    throw new BeanCreationException(beanName, "Post-processing of FactoryBean's object failed", ex);
                }
            }
            return object;
        }
    }

死锁

概念

是指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁。

死锁是必然发生在多操作者（M>=2个）情况下，争夺多个资源（N>=2个，且N<=M）才会发生这种情况。很明显，单线程自然不会有死锁。同时，死锁还有一个重要的要求，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。

学术化定义

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。

理解了死锁的原因，尤其是产生死锁的四个必要条件，就可以最大可能地避免、预防和解除死锁。只要打破四个必要条件之一就能有效预防死锁的发生：打破互斥条件：改造独占性资源为虚拟资源，大部分资源已无法改造。打破不可抢占条件：当一进程占有一独占性资源后又申请一独占性资源而无法满足，则退出原占有的资源。打破占有且申请条件：采用资源预先分配策略，即进程运行前申请全部资源，满足则运行，不然就等待，这样就不会占有且申请。打破循环等待条件：实现资源有序分配策略，对所有设备实现分类编号，所有进程只能采用按序号递增的形式申请资源。

避免死锁常见的算法有有序资源分配法、银行家算法。

现象、危害和解决办法

数据库里多事务而且要同时操作多个表的情况下会产生死锁现象。所以数据库设计的时候就考虑到了检测死锁和从死锁中恢复的机制。比如oracle提供了检测和处理死锁的语句，而mysql也提供了“循环依赖检测的机制”。

危害

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、一旦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。

实际工作中的死锁

时间不定，不是每次必现；一旦出现没有任何异常信息，只知道这个应用的所有业务越来越慢，最后停止服务，无法确定是哪个具体业务导致的问题；测试部门也无法复现，并发量不够。

解决

定位

通过jps 查询应用的 id，再通过jstack id 查看应用的锁的持有情况

修正

关键是保证拿锁的顺序一致

两种解决方式

1、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。

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：

1、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）

2、一定要以测试为基准。

线程引入的开销

上下文切换

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越多的CPU时钟周期,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。

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：

1、使用读写锁，

2、用自旋CAS

3、使用系统的并发容器

线程安全的单例模式

双重检查锁定

/**
 * 懒汉式-双重检查
 */
public class SingleDcl {
    private volatile static SingleDcl singleDcl;
    //私有化
    private SingleDcl(){
    }

    public static SingleDcl getInstance(){
        if (singleDcl == null){ //第一次检查，不加锁
            System.out.println(Thread.currentThread()+" is null");
            synchronized(SingleDcl.class){ //加锁
                if (singleDcl == null){ //第二次检查，加锁情况下
                    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
                    singleDcl = new SingleDcl();
                }
            }
        }
        return singleDcl;
    }
}

解决之道

懒汉式

类初始化模式，也叫延迟占位模式。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。

饿汉式

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。

或者使用枚举

参考：http://enjoy.ke.qq.com