java并发编程实战学习 第2章

第1章 简介

第2章 线程安全性

什么是线程安全性

可以同时被多个线程调用，而调用者无需执行额外的动作。

• 一个无状态的Servlet

@ThreadSafe
public class StatelessFactorizer implements Servlet {
    public void service(ServletRequest req, ServletResponse resp) {
        BigInteger i = extractFromRequest(req);
        BigInteger[] factors = factor(i);
        encodeIntoRespose(resp, factors);
    }
}

任何一个线程访问，操作都是正确的，那么这就是线程安全的

无状态对象一定是线程安全的

• 在上面基础上，添加一个计数统计功能

@NotThreadSafe
public class UnsafeCountingFactorizer implements Servlet {
    private long count = 0;

    public long getCount() {
        return count;
    }

    public void service(ServletRequest req, ServletResponse resp) {
        BigInteger i = extractFromRequest(req);
        BigInteger[] factors = factor(i);
        ++count;
        encodeIntoRespose(resp, factors);
    }
}

上面这个例子，在单线程环境中可以正常运行，但是在多线程中，就不是一个线程安全的。问题在++count，包含了三个操作，读取-修改-写入，结果依赖于之前的状态。

在并发编程中，不恰当的执行时序而出现不正确的结果，它叫“竞态条件”。

• 另外一个例子 初始化

@NotThreadSafe
public class LazyInitRace {
    private ExpensiveObject instance = null;

    public ExpensiveObject getInstance() {
        if(instance == null) {
            instance = new ExpensiveObject();
        }
        return instance;
    }
}

也是典型的“先检查后执行”，是非线程安全的。

要修复这一问题，“读取-修改-写入”操作必须是原子性的

@ThreadSafe
public class CountingFactorizer implements Servlet {
    private final AtomicLong count = new AtomicLong(0);

    public long getCount() {
        return count;
    }

    public void service(ServletRequest req, ServletResponse resp) {
        BigInteger i = extractFromRequest(req);
        BigInteger[] factors = factor(i);
        count.incrementAndGet();
        encodeIntoRespose(resp, factors);
    }
}

在实际情况中，应尽可能地使用现有的线程安全对象(例如AtomicLong)来管理类的状态。

加锁机制

假设我们希望提升Servlet性能：将最近的计算结果缓存起来，当两个连续的请求对相同的数值进行因数分解时，可以直接使用上次结果，无数重新计算。

代码进行修改

@NotThreadSafe
public class UnsafeCachingFactorizer {
    private final AtomicReference<BigInteger> lastNumber = new AtomicReference<>();
    private final AtomicReference<BigInteger[]> lastFactors = new AtomicReference<>();

    public void service(ServletRequest req, ServletResponse resp) {
        BigInteger i = extractFromRequest(req);
        if(i.equals(lastNumber.get())) {
            encodeIntoRespose(resp, lastFactors.get());
        } else {
            BigInteger[] factors = factor(i);
            lastNumber.set(i);
            lastFactors.set(factors);
            encodeIntoRespose(resp, factors);
        }
    }

}

但是仍然不是线程安全的，因为变量虽然使用了线程安全对象，但是这个例子变量和变量之间并不是独立的。需要保证同时去更新。

要保持状态的一致性，就需要在单个原子操作中更新所有相关的状态变量。

Java提供了一种内置锁的机制来支持原子性：同步代码块（Synchronized Block）。

synchronized (lock) {
//访问或修改由锁保护的共享状态
}

Java的内置锁相当于一种互斥体，最多只有一个线程能持有这个锁。当线程A尝试获取一个由线程B持有的锁时，线程A必须等待或阻塞，直到线程B释放这个锁。如果B永远不释放锁，那么A永远等。

• 修改代码

@ThreadSafe
public class SynchronizedFactorizer implements Servlet {
    @GuardedBy("this")
    private BigInteger lastNumber;
    @GuardedBy("this")
    private BigInteger[] lastFactors;

    public synchronized void service(ServletRequest req, ServletResponse resp) {
        BigInteger i = extractFromRequest(req);
        if (i.equals(lastNumber)) {
            encodeIntoRespose(resp, lastFactors);
        } else {
            BigInteger[] factors = factor(i);
            lastNumber = i;
            lastFactors = factors;
            encodeIntoRespose(resp, factors);
        }
    }
}

变量有关联的逻辑都在service方法内，而整个service进行了同步，因此线程安全了。这种修改方法过于极端，造成无法多个客户端进行因数分解。

内置锁时可重入的

如果内置锁不是可重入的，那么这段代码将发生死锁

public class Widget {
    public synchronized void doSomething() {
	   ...
	}
}

public class LoggingWidget extends Widget {
    public synchronized void doSomething() {
	    System.out.println(toString() + ": call doSomething");
		supper.doSomething();
	}
}

用锁来保护状态

对于可能被对多个线程访问的可变状态变量，都需要用锁来保护。

活跃性与性能

• 优化上面Servlet代码

@ThreadSafe
public class CachedFactorizer implements Servlet {
    
    private BigInteger lastNumber;
    private BigInteger[] lastFactors;
    private long hits;
    private long cacheHits;
    
    public synchronized long getHits() {
        return hits;
    }
    public synchronized double getCacheHitRatio() {
        return (double) cacheHits / (double) hits;
    }
    
    public void service(ServletRequest req, ServletResponse resp) {
        BigInteger i = extractFromRequest(req);
        BigInteger[] factors = null;
        synchronized (this) {
            ++hits;
            if(i.equals(lastNumber)) {
                ++cacheHits;
                factor = lastFactors.clone();
            }
        }
        if(factors == null) {
            factors = factor(i);
            synchronized (this) {
                lastNumber = i;
                lastFactors = factors.clone();
            }
        }
        encodeIntoResponse(resp, factors);
    }
}

不能整个方法笼统的同步，需要一个平衡点。

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IO，或者控制台IO），一定不要持有锁。