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Java中的线程到底有哪些安全策略

2022-05-17 18:00 https://my.oschina.net/u/4526289/blog/5527212 华为云开发者社区 次阅读 条评论
摘要:Java中的线程到底有哪些安全策略呢?本文就为你彻底分析下!

本文分享自华为云社区《【高并发】线程安全策略》,作者:冰 河 。

一、不可变对象

不可变对象需要满足的条件

(1)对象创建以后其状态就不能修改
(2)对象所有域都是final类型
(3)对象是正确创建的(在对象创建期间,this引用没有溢出)

对于不可变对象,可以参见JDK中的String类

final关键字:类、方法、变量

(1)修饰类:该类不能被继承,String类,基础类型的包装类(比如Integer、Long等)都是final类型。final类中的成员变量可以根据需要设置为final类型,但是final类中的所有成员方法,都会被隐式的指定为final方法。
(2)修饰方法:锁定方法不被继承类修改;效率。注意:一个类的private方法会被隐式的指定为final方法
(3)修饰变量:基本数据类型变量(数值被初始化后不能再修改)、引用类型变量(初始化之后则不能再指向其他的对象)

在JDK中提供了一个Collections类,这个类中提供了很多以unmodifiable开头的方法,如下:

Collections.unmodifiableXXX: Collection、List、Set、Map…

其中Collections.unmodifiableXXX方法中的XXX可以是Collection、List、Set、Map…

此时,将我们自己创建的Collection、List、Set、Map,传递到Collections.unmodifiableXXX方法中,就变为不可变的了。此时,如果修改Collection、List、Set、Map中的元素就会抛出java.lang.UnsupportedOperationException异常。

在Google的Guava中,包含了很多以Immutable开头的类,如下:

ImmutableXXX,XXX可以是Collection、List、Set、Map…

注意:使用Google的Guava,需要在Maven中添加如下依赖包:

<dependency>
	<groupId>com.google.guava</groupId>
	<artifactId>guava</artifactId>
	<version>23.0</version>
</dependency>

二、线程封闭

(1)Ad-hoc线程封闭:程序控制实现,最糟糕,忽略
(2)堆栈封闭:局部变量,无并发问题
(3)ThreadLocal线程封闭:特别好的封闭方法

三、线程不安全类与写法

1. StringBuilder -> StringBuffer

StringBuilder:线程不安全;
StringBuffer:线程不安全;

字符串拼接涉及到多线程操作时,使用StringBuffer实现

在一个具体的方法中,定义一个字符串拼接对象,此时可以使用StringBuilder实现。因为在一个方法内部定义局部变量进行使用时,属于堆栈封闭,只有一个线程会使用变量,不涉及多线程对变量的操作,使用StringBuilder即可。

2. SimpleDateFormat -> JodaTime

SimpleDateFormat:线程不安全,可以将其对象的实例化放入到具体的时间格式化方法中,实现线程安全
JodaTime:线程安全

SimpleDateFormat线程不安全的代码示例如下:

package io.binghe.concurrency.example.commonunsafe;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.text.ParseException;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;
@Slf4j
public class DateFormatExample {
    private static SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyyMMdd");
    //请求总数
    public static int clientTotal = 5000;
    //同时并发执行的线程数
    public static int threadTotal = 200;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
        for(int i = 0; i < clientTotal; i++){
            executorService.execute(() -> {
                try{
                    semaphore.acquire();
                    update();
                    semaphore.release();
                }catch (Exception e){
                    log.error("exception", e);
                }
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
    }
    public static void update(){
        try {
            simpleDateFormat.parse("20191024");
        } catch (ParseException e) {
            log.error("parse exception", e);
        }
    }
}

修改成如下代码即可。

package io.binghe.concurrency.example.commonunsafe;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.text.ParseException;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;
@Slf4j
public class DateFormatExample2 {
    //请求总数
    public static int clientTotal = 5000;
    //同时并发执行的线程数
    public static int threadTotal = 200;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
        for(int i = 0; i < clientTotal; i++){
            executorService.execute(() -> {
                try{
                    semaphore.acquire();
                    update();
                    semaphore.release();
                }catch (Exception e){
                    log.error("exception", e);
                }
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
    }

    public static void update(){
        try {
            SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyyMMdd");
            simpleDateFormat.parse("20191024");
        } catch (ParseException e) {
            log.error("parse exception", e);
        }
    }
}

对于JodaTime需要在Maven中添加如下依赖包:

<dependency>
	<groupId>joda-time</groupId>
	<artifactId>joda-time</artifactId>
	<version>2.9</version>
</dependency>

示例代码如下:

package io.binghe.concurrency.example.commonunsafe;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.joda.time.DateTime;
import org.joda.time.format.DateTimeFormat;
import org.joda.time.format.DateTimeFormatter;

import java.text.ParseException;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;

@Slf4j
public class DateFormatExample3 {
    //请求总数
    public static int clientTotal = 5000;
    //同时并发执行的线程数
    public static int threadTotal = 200;

    private static DateTimeFormatter dateTimeFormatter = DateTimeFormat.forPattern("yyyyMMdd");

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
        for(int i = 0; i < clientTotal; i++){
            final int count = i;
            executorService.execute(() -> {
                try{
                    semaphore.acquire();
                    update(count);
                    semaphore.release();
                }catch (Exception e){
                    log.error("exception", e);
                }
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
    }

    public static void update(int i){
        log.info("{} - {}", i, DateTime.parse("20191024", dateTimeFormatter));
    }
}

3. ArrayList、HashSet、HashMap等Collections集合类为线程不安全类

4. 先检查再执行:if(condition(a)){handle(a);}

注意:这种写法是线程不安全的!!!!!

两个线程同时执行这种操作,同时对if条件进行判断,并且a变量是线程共享的,如果两个线程均满足if条件,则两个线程会同时执行handle(a)语句,此时,handle(a)语句就可能不是线程安全的。

不安全的点在于两个操作中,即使前面的执行过程是线程安全的,后面的过程也是线程安全的,但是前后执行过程的间隙不是原子性的,因此,也会引发线程不安全的问题。

实际过程中,遇到if(condition(a)){handle(a);}类的处理时,考虑a是否是线程共享的,如果是线程共享的,则需要在整个执行方法上加锁,或者保证if(condition(a)){handle(a);}的前后两个操作(if判断和代码执行)是原子性的。

四、线程安全-同步容器

1. ArrayList -> Vector, Stack

ArrayList:线程不安全;

Vector:同步操作,但是可能会出现线程不安全的情况,线程不安全的代码示例如下:

public class VectorExample {

    private static Vector<Integer> vector = new Vector<>();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        while (true){
            for(int i = 0; i < 10; i++){
                vector.add(i);
            }
            Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for(int i = 0; i < vector.size(); i++){
                        vector.remove(i);
                    }
                }
            });
            Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for(int i = 0; i < vector.size(); i++){
                        vector.get(i);
                    }
                }
            });
            thread1.start();
            thread2.start();
        }
    }
}

Stack:继承自Vector,先进后出。

2. HashMap -> HashTable(Key, Value都不能为null)

HashMap:线程不安全;
HashTable:线程安全,注意使用HashTable时,Key, Value都不能为null;

3. Collections.synchronizedXXX(List、Set、Map)

注意:在遍历集合的时候,不要对集合进行更新操作。当需要对集合中的元素进行删除操作时,可以遍历集合,先对需要删除的元素进行标记,集合遍历结束后,再进行删除操作。例如,下面的示例代码:

public class VectorExample3 {

    //此方法抛出:java.util.ConcurrentModificationException
    private static void test1(Vector<Integer> v1){
        for(Integer i : v1){
            if(i == 3){
                v1.remove(i);
            }
        }
    }
    //此方法抛出:java.util.ConcurrentModificationException
    private static void test2(Vector<Integer> v1){
        Iterator<Integer> iterator = v1.iterator();
        while (iterator.hasNext()){
            Integer i = iterator.next();
            if(i == 3){
                v1.remove(i);
            }
        }
    }
    //正常
    private static void test3(Vector<Integer> v1){
        for(int i = 0; i < v1.size(); i++){
            if(i == 3){
                v1.remove(i);
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Vector<Integer> vector = new Vector<>();
        vector.add(1);
        vector.add(2);
        vector.add(3);

        //test1(vector);
        //test2(vector);
        test3(vector);
    }
}

五、线程安全-并发容器J.U.C

J.U.C表示的是java.util.concurrent报名的缩写。

1. ArrayList -> CopyOnWriteArrayList

ArrayList:线程不安全;
CopyOnWriteArrayList:线程安全;

写操作时复制,当有新元素添加到CopyOnWriteArrayList数组时,先从原有的数组中拷贝一份出来,然后在新的数组中进行写操作,写完之后再将原来的数组指向到新的数组。整个操作都是在锁的保护下进行的。

CopyOnWriteArrayList缺点:
(1)每次写操作都需要复制一份,消耗内存,如果元素特别多,可能导致GC;
(2)不能用于实时读的场景,适合读多写少的场景;

CopyOnWriteArrayList设计思想:
(1)读写分离
(2)最终一致性
(3)使用时另外开辟空间,解决并发冲突

注意:CopyOnWriteArrayList读操作时,都是在原数组上进行的,不需要加锁,写操作时复制,当有新元素添加到CopyOnWriteArrayList数组时,先从原有的集合中拷贝一份出来,然后在新的数组中进行写操作,写完之后再将原来的数组指向到新的数组。整个操作都是在锁的保护下进行的。

2.HashSet、TreeSet -> CopyOnWriteArraySet、ConcurrentSkipListSet

CopyOnWriteArraySet:线程安全的,底层实现使用了CopyOnWriteArrayList。

ConcurrentSkipListSet:JDK6新增的类,支持排序。可以在构造时,自定义比较器,基于Map集合。在多线程环境下,ConcurrentSkipListSet中的contains()方法、add()、remove()、retain()等操作,都是线程安全的。但是,批量操作,比如:containsAll()、addAll()、removeAll()、retainAll()等操作,并不保证整体一定是原子操作,只能保证批量操作中的每次操作是原子性的,因为批量操作中是以循环的形式调用的单步操作,比如removeAll()操作下以循环的方式调用remove()操作。如下代码所示:

//ConcurrentSkipListSet类型中的removeAll()方法的源码
public boolean removeAll(Collection<?> c) {
	// Override AbstractSet version to avoid unnecessary call to size()
	boolean modified = false;
	for (Object e : c)
		if (remove(e))
			modified = true;
	return modified;
}

所以,在执行ConcurrentSkipListSet中的批量操作时,需要考虑加锁问题。

注意:ConcurrentSkipListSet类不允许使用空元素(null)。

3. HashMap、TreeMap -> ConcurrentHashMap、ConcurrentSkipListMap

ConcurrentHashMap:线程安全,不允许空值
ConcurrentSkipListMap:是TreeMap的线程安全版本,内部是使用SkipList跳表结构实现

4.ConcurrentSkipListMap与ConcurrentHashMap对比如下

(1)ConcurrentSkipListMap中的Key是有序的,ConcurrentHashMap中的Key是无序的;
(2)ConcurrentSkipListMap支持更高的并发,对数据的存取时间和线程数几乎无关,也就是说,在数据量一定的情况下,并发的线程数越多,ConcurrentSkipListMap越能体现出它的优势。

注意:在非对线程下尽量使用TreeMap,另外,对于并发数相对较低的并行程序,可以使用Collections.synchronizedSortedMap,将TreeMap进行包装;对于高并发程序,使用ConcurrentSkipListMap提供更高的并发度;在多线程高并发环境中,需要对Map的键值对进行排序,尽量使用ConcurrentSkipListMap。

六、安全共享对象的策略-总结

(1)线程限制:一个被线程限制的对象,由线程独占,并且只能被占有它的线程修改
(2)共享只读:一个共享只读的对象,在没有额外同步的情况下,可以被多个线程并发访问,但是任何线程都不能修改它。
(3)线程安全对象:一个线程安全的对象或者容器,在内部通过同步机制来保证线程安全,所以其他线程无需额外的同步就可以通过公共接口随意访问它
(4)被守护对象:被守护对象只能通过获取特定的锁来访问

 

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