Java并发编程之对象共享

对象数据共享

要实现多个线程之间的数据共享,需要考虑两个问题:

  • 通信:通信是指消息在两条线程之间传递
  • 同步:既然要传递消息,那 接收线程发送线程 之间必须要有个先后关系。此时就需要用到同步,即控制多条线程之间的执行次序。

如何通信

一般有两种通信的方式:

  1. 共享内存:共享内存指的是多条线程共享同一片内存,发送者将消息写入内存,接收者从内存中读取消息,从而实现了消息的传递。
  2. 消息传递:顾名思义,消息传递指的是发送线程直接将消息传递给接收线程。

Java选择哪种通信方式?(Java内存模型)

Java使用共享内存的方式实现多线程之间的通信。使用这种方式,程序员需要编写额外的代码用于线程之间的同步。在 Java 中,所有线程都共享一片主内存(Main Memory),用于存储共享变量。此外,每条线程都有各自的存储空间,存储各自的局部变量、方法参数、异常对象。

buffers-modes


可见性和失效数据

可能你不会相信,在 Java 中,一个线程修改了共享对象的状态后,其他线程可能不能及时看到发生的状态变化。为什么其他线程有可能会看不到变化呢?可以从两个角度理解:

  1. 从 Java内存模型(JMM)的角度看,正因为每条线程都有各自的存储空间,在多线程中,假设没有加入同步,如果一个线程修改了一个值,储存在自己的线程内存里,另一个线程就会看不到。又或者,你看到的是一个已经失效的值。
  2. 从计算机的角度看,现代多核计算机中,每个 CPU 都有自己的寄存器,为了和主存读写速度匹配,CPU寄存器和主存中间往往有一层 Cache 缓冲,当一个 CPU 修改了一个共享变量,放在自己的寄存器或 Cache 缓冲中,还未写回主存,另一个 CPU 就可能读不到最新修改的数据。
  3. 从 JVM 的角度来看,虚拟机会对源代码做一些重排序或优化。

考虑下面的例子,

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boolean asleep = false;

// 线程A
while(!asleep)
countSomeSheep();

// 线程B
asleep = true;

线程A不断检查 asleep 的值,直到它变成 true 就停止数羊,线程B将 asleep 设置成true,如果不解决可见性问题,线程B的改动,线程A可能永远都看不到。像这样,一个线程不能及时看到另一个线程对共享变量的修改这种情况,叫做可见性问题

在这里例子中,JVM可能会把 while 循环优化成:

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if (!asleep)
while(true)
countSomeSheep();

解决可见性问题

使用 synchronized

解决可见性问题,可以用 synchronized ,因为 synchronized 的语义规定,对一个变量执行 unlock 操作前,必须先把此变量同步回主内存中。但是 synchronized 每次加锁解锁都需要额外的开销,显得太“重”了,会影响性能。

使用 final

我们也可以用 final 解决可见性问题,被 final 修饰的字段在构造器中一旦初始化完毕(且 this 引用没有逃逸),其他线程立即可以看到 final 字段的值。可惜 final 字段不可再次被修改,有时不满足我们的需求。

使用 volatile

第三种方法是将变量声明为 volatile 类型。声明为 volatile 的变量,在写操作时,底层的汇编指令会多出一行 Lock 前缀指令。这个指令在多核处理器中引发了两件事情:第一,将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存。第二,该操作使在其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效。

volatile 保证了变量每次读写时都是最新的值,但不要太过于依赖 volatile,满足以下条件时,才用 volatile:

  1. 对变量的写入操作不依赖变量的当前值(因为会产生竞争条件引发安全性问题,i++就不满足),或者你的程序只有一个线程更新该变量的值(其他线程可访问但不可修改);
  2. 访问变量时不需要加锁;
  3. 该变量不会与其他状态变量一起纳入不变性条件中。

也就是说, volatile 是解决 可见性 问题的,并不能解决所有原子性问题。另外,当想禁止编译器的重排序功能时,也可以用 volatile。


重排序问题

当我们写一个单线程程序时,总以为计算机会一行行地运行代码,然而事实并非如此。编译器、处理器会在不改变程序执行结果的前提下,重新排列指令的执行顺序,以达到最佳的运行效率,这就是重排序。多线程环境下,重排序可能带来一些问题。考虑下面的例子:

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class Reorder{
int a = 0;
boolean flag = false;

// 线程A
public void writer(){
a = 2;
flag = true;
}

// 线程B
public void reader(){
if (flag) {
int i = a*a;
}
}
}

假设有两个线程,A线程先执行writer方法,之后B线程执行reader方法。按理说,B会将 i 设置成 4,然而事实却不一定,i还可能是0。原因是,编译器和处理器会对没有依赖关系的语句进行一定程度的重排序。在线程A中,可能 flag 先被设置成 true,然后线程B执行reader,发现flag 为 true,执行赋值语句,i = 0 * 0,最后,A线程的 a 才被赋值为 2。

解决重排序问题,也可以使用 volatile, volatile 本身包含禁止指令重排序的语义。

深入:为什么 volatile 能解决重排序问题?

声明为 volatile 的变量,实际上相当于程序员显式地告诉编译器和处理器不要使用重排序。汇编指令中多出来的 Lock,实际上也就是一道内存屏障。处理器遇到内存屏障时,就会知道不要对此处乱序执行。事实上,Linux 或 Windows 作为操作系统,也只是调用 CPU 所实现的内存屏障指令而已,归根结底这个不是操作系统或者编译器去实现,而是硬件实现了然后供软件调用。


线程封闭

不共享数据是避免使用同步最好的办法,这称为线程封闭(Thread Confinement)。线程封闭包括 Ad-hoc 、栈封闭、ThreadLocal类,这里只探讨ThreadLocal。

ThreadLocal 类

在单线程 JDBC 程序中,我们通常在程序启动时初始化一个 Connection 连接,从而避免在调用每个方法时都传递一个 Connection 对象。在多线程 JDBC 程序中,我们希望每个线程建立自己的 Connection 对象连接,不互相干扰。这种场景就可以通过 ThreadLocal 来解决。

ThreadLocal提供了一些比如set、get等来访问接口和方法,每个使用该变量的线程都有一份独立的副本,线程之间互不影响。

ThreadLocal 类简单例子

声明一个 ThreadLocal 对象

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private ThreadLocal myThreadLocal = new ThreadLocal();
// or
private ThreadLocal<String> myThreadLocal = new ThreadLocal<String>();
//or
// 在声明ThreadLocal对象时,即给初值,而不是第一次调用
private ThreadLocal myThreadLocal = new ThreadLocal<String>() {
@Override
protected String initialValue() {
return "This is the initial value";
}
};

使用set()放置线程封闭变量,使用get()将其取出。

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// 往对象里放置变量
myThreadLocal.set("aStringValue");

// 将 ThreadLocal 里存放的变量取出来
String threadLocalValue = (String) myThreadLocal.get();

除了 ThreadLocal 类之外,还有一个 InheritableThreadLocal 是可继承的 ThreadLocal ,只有声明的线程及其子线程可以使用 InheritableThreadLocal 里面存放的变量。

在 JDK 1.7 之后,还有一个 java.util.concurrent.ThreadLocalRandom 类。

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// 返回特定于当前线程的 Random 类实例
static ThreadLocalRandom current()

发布与逸出

发布(publish)的意思是,在当前作用域之外的代码中使用对象,例如将对象的引用传递到其他类的方法中。在多线程环境下,如果一个对象在构造完成之前就被发布,会破坏线程安全性。而当某个不应该发布的对象被不小心发布出去,就叫逸出(escape)。考虑下面的例子:

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class status{
private String[] s = new String[] {"AK","AL","AJ"};

public String[] get(){
return this.s;
}
}

外部可以通过 get() 方法获取数组 s 的引用,而 s 是一个 private 数组,外部现在就有权力修改这个数组里面的所有元素,这就是逸出。逸出使得我们的封装变得没有意义。

还有一种逸出的情况就是发布一个类的内部类实例,因为内部类是隐式持有外部类引用的。

安全地构造

在构造方法中启动一个线程,this引用会被新创建的线程共享,此时还没构造完毕,会导致线程安全问题。好的做法是,等构造方法结束时,this引用才逸出。在构造方法中创建一个线程,然后通过一个 start() 方法来启动线程。永远不要在构造过程中使 this 引用逸出。如果想在构造函数中注册一个事件监听或者启动线程,好的办法是使用静态工厂方法(私有构造函数+公共工厂方法)。


安全发布

有 Holder 这么一个类

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public class Holder {
private int n;

public Holder(int n){
this.n = n;
}

public void assertSanity(){
if (n != n) {
thorw new AssertionError("statement false")
}
}
}

假设线程1对Holder类进行了发布

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public Holder holder;

public void initialize(){
holder = new Holder(42);
}

然后线程2调用assertSanity()方法,很有可能出现 n != n,抛出 AssertionError 。

原因:存在可见性问题,线程1的 new 指令使 holder 对象开始构造,构造到一半时线程2即调用assertSanity()方法了,线程2看到的 holder 对象可能是一个空引用,或者是初始化了一半的值。

安全地发布

要安全地发布一个对象,对象的引用和对象的状态必须同时对其他线程可见。

一般可以通过以下几种方式:

  • 在静态初始化函数中初始化一个对象的引用
  • 将对象的引用保存到 volatile 类型的域或者 AtomicReferance 对象中
  • 将对象的引用保存到某个正确构造的 final 类型域中
  • 将对象的引用保存到一个由锁保护的域中(如线程安全容器)

参考:

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