Java并发编程（三）-- 多线程的“问题”

2023-08-06 21:56:52

竞态条件与临界区

在同一程序中运行多个线程本身不会导致问题，问题在于多个线程访问了相同的资源。当多个线程同时访问同一个资源，并且其中的一个或者多个线程对这个资源进行了写操作，才会产生竞态条件。多个线程同时读同一个资源不会产生竞态条件。如，同一内存区（变量，数组，或对象）、系统（数据库，web services 等）或文件。实际上，这些问题只有在一或多个线程向这些资源做了写操作时才有可能发生，只要资源没有发生变化,多个线程读取相同的资源就是安全的。

多线程同时执行下面的代码可能会出错：

public class Counter {

    protected long count = 0;

    public void add(long value){

        this.count = this.count + value;

    }

}    public class Counter {

想象下线程 A 和 B 同时执行同一个 Counter 对象的 add()方法，我们无法知道操作系统何时会在两个线程之间切换。JVM 并不是将这段代码视为单条指令来执行的，而是按照下面的顺序：

从内存获取 this.count 的值放到寄存器
将寄存器中的值增加 value
将寄存器中的值写回内存

观察线程 A 和 B 交错执行会发生什么：

this.count = 0;
A: 读取 this.count 到一个寄存器 (0)
B: 读取 this.count 到一个寄存器 (0)
B: 将寄存器的值加 2
B: 回写寄存器值(2)到内存. this.count 现在等于 2
A: 将寄存器的值加 3
A: 回写寄存器值(3)到内存. this.count 现在等于 3

两个线程分别加了 2 和 3 到 count 变量上，两个线程执行结束后 count 变量的值应该等于 5。然而由于两个线程是交叉执行的，两个线程从内存中读出的初始值都是 0。然后各自加了 2 和 3，并分别写回内存。最终的值并不是期望的 5，而是最后写回内存的那个线程的值，上面例子中最后写回内存的是线程 A，但实际中也可能是线程 B。如果没有采用合适的同步机制，线程间的交叉执行情况就无法预料。

当两个线程竞争同一资源时，如果对资源的访问顺序敏感，就称存在竞态条件。导致竞态条件发生的代码区称作临界区。上例中 add()方法就是一个临界区,它会产生竞态条件。在临界区中使用适当的同步就可以避免竞态条件。

线程安全与共享资源

允许被多个线程同时执行的代码称作线程安全的代码。线程安全的代码不包含竞态条件。当多个线程同时更新共享资源时会引发竞态条件。因此，了解 Java 线程执行时共享了什么资源很重要。

局部变量

局部变量存储在线程自己的栈中。也就是说，局部变量永远也不会被多个线程共享。所以，基础类型的局部变量是线程安全的。下面是基础类型的局部变量的一个例子：

public void myMethod(){

    long myThreadInt = 0;

    myThreadInt++;

}

局部的对象引用
对象的局部引用和基础类型的局部变量不太一样。尽管引用本身没有被共享，但引用所指的对象并没有存储在线程的栈内。所有的对象都存在共享堆中。如果在某个方法中创建的对象不会逃逸出（译者注：即该对象不会被其它方法获得，也不会被非局部变量引用到）该方法，那么它就是线程安全的。实际上，哪怕将这个对象作为参数传给其它方法，只要别的线程获取不到这个对象，那它仍是线程安全的。下面是一个线程安全的局部引用样例：

public void myMethod(){

    LocalObject localObject = new LocalObject();

    localObject.callMethod();

    method(localObject);

}

public void method(LocalObject localObject){

    localObject.setValue("This is value");

}

样例中 LocalObject 对象没有被方法返回，也没有被传递给 myMethod()方法外的对象。每个执行 myMethod()的线程都会创建自己的 LocalObject 对象，并赋值给 localObject 引用。因此，这里的 LocalObject 是线程安全的。事实上，整个 myMethod()都是线程安全的。即使将 LocalObject 作为参数传给同一个类的其它方法或其它类的方法时，它仍然是线程安全的。当然，如果 LocalObject 通过某些方法被传给了别的线程，那它就不再是线程安全的了。

'成员变量'

‘成员变量’存储在堆上。如果两个线程同时更新同一个对象的同一个成员，那这个代码就不是线程安全的。下面是一个样例：

public class NotThreadSafe{

    StringBuilder builder = new StringBuilder();

    public add(String text){

    this.builder.append(text);

    }

}

如果两个线程同时调用同一个 NotThreadSafe 实例上的 add()方法，就会有竞态条件问题。例如：

NotThreadSafe sharedInstance = new NotThreadSafe();

new Thread(new MyRunnable(sharedInstance)).start();

new Thread(new MyRunnable(sharedInstance)).start();

public class MyRunnable implements Runnable{

    NotThreadSafe instance = null;

    public MyRunnable(NotThreadSafe instance){

        this.instance = instance;

    }

    public void run(){

        this.instance.add("some text");

    }

}

注意两个 MyRunnable 共享了同一个 NotThreadSafe 对象。因此，当它们调用 add()方法时会造成竞态条件。

当然，如果这两个线程在不同的 NotThreadSafe 实例上调用 call()方法，就不会导致竞态条件。下面是稍微修改后的例子：

new Thread(new MyRunnable(new NotThreadSafe())).start();

new Thread(new MyRunnable(new NotThreadSafe())).start();

现在两个线程都有自己单独的 NotThreadSafe 对象，调用 add()方法时就会互不干扰，再也不会有竞态条件问题了。所以非线程安全的对象仍可以通过某种方式来消除竞态条件。

线程控制逃逸规则

线程控制逃逸规则可以帮助你判断代码中对某些资源的访问是否是线程安全的。

如果一个资源的创建，使用，销毁都在同一个线程内完成，且永远不会脱离该线程的控制，则该资源的使用就是线程安全的。

资源可以是对象，数组，文件，数据库连接，套接字等等。

Java 中你无需主动销毁对象，所以“销毁”指不再有引用指向对象。即使对象本身线程安全，但如果该对象中包含其他资源（文件，数据库连接），整个应用也许就不再是线程安全的了。比如 2 个线程都创建了各自的数据库连接，每个连接自身是线程安全的，但它们所连接到的同一个数据库也许不是线程安全的。比如，2 个线程执行如下操作：

检查记录 X 是否存在，如果不存在，插入 X
如果两个线程同时执行，而且碰巧检查的是同一个记录，那么两个线程最终可能都插入了记录：
线程 1 检查记录 X 是否存在。检查结果：不存在
线程 2 检查记录 X 是否存在。检查结果：不存在
线程 1 插入记录 X
线程 2 插入记录 X

同样的问题也会发生在文件或其他共享资源上。因此，区分某个线程控制的对象是资源本身，还是仅仅到某个资源的引用很重要。

线程安全及不可变性

我们可以通过创建不可变的共享对象来保证对象在线程间共享时不会被修改，从而实现线程安全。如下示例：

public class ImmutableValue{

    private int value = 0;

    public ImmutableValue(int value){

        this.value = value;

    }

    public int getValue(){

        return this.value;

    }

}

注意 ImmutableValue 类的成员变量 value 是通过构造函数赋值的，并且在类中没有 set 方法。这意味着一旦 ImmutableValue 实例被创建，value 变量就不能再被修改，这就是不可变性。但你可以通过 getValue()方法读取这个变量的值。

如果你需要对 ImmutableValue 类的实例进行操作，可以通过得到 value 变量后创建一个新的实例来实现。

引用不是线程安全的！

重要的是要记住，即使一个对象是线程安全的不可变对象，指向这个对象的引用也可能不是线程安全的。看这个例子：

public void Calculator{

    private ImmutableValue currentValue = null;

    public ImmutableValue getValue(){

        return currentValue;

    }

    public void setValue(ImmutableValue newValue){

        this.currentValue = newValue;

    }

    public void add(int newValue){

        this.currentValue = this.currentValue.add(newValue);

    }

}

Calculator类持有一个指向ImmutableValue实例的引用。注意，通过setValue()方法和add()方法可能会改变这个引用。因此，即使Calculator类内部使用了一个不可变对象，但Calculator类本身还是可变的，因此Calculator类不是线程安全的。换句话说：ImmutableValue类是线程安全的，但使用它的类不是。当尝试通过不可变性去获得线程安全时，这点是需要牢记的。

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