java并发编程

java并发编程 Java并发编程之之 Edited by Mo Dongsong 一、 线程安全之可见性 线程安全就是在多线程访问的情况下，可以持续进行正确的行为。多线程环境中的共享变量不可见性是常见的非线程安全的一种。 不少人都错误的认为，一个public变量其他对象都能访问，它就是可见的。在单线程环境下，是这样。 但在多线程运行环境下，每个线程对变量改变时，其他线程并不一定都能即时看见。要保证可见性，必须同步。在多CPU的环境中，每个处理器会把修改的共享变量放在寄存器中，而只有写入到内存后，其他处理器才能看见。而现代处理器都会重排序执行顺序以提高性能，所以在没有同步的情况下，缓存会改变写入到主内存的次序。最终可能导致运行的结果并不是程序原先预先的结果。 这里给一个最简单常见的因为变量非可见性的非线程安全的例子。 public class NotSafeValue{ private int value; public int get(){return value;} public void set(int value) {this.value=value} } 在多线程环境下，即使看似set调用在前，get也不一定能拿到最新的值。 有多种方式来保证共享变量的可变性: (1)加锁 使用synchronized 关键字来加锁，这个大家都知道，是最常用的。比如上面的例子中，在每个get和set方法都加这个关键字就能保证线程安全了。当然java 5.0后，还有显式锁。 (2)使用volatile 关键字 在上面的例子中，给value 变量的定义加找个关键字就是线程安全的了。从可见性的角度来说，volatile跟使用synchronized是一样的，而且性能优越很多。但是，volatile只能保证可见性，不能保证操作的原子性。所以不能滥用volatile。通常被当作标志状态使用，比如循环的停止标志。使用volatile,能保证其他线程对标志的改变都是即时的。 (3)使用原子变量 java 5.0后提供了原子变量类型。原子变量应该可以说是一种安全的volatile变量，既能保证可见性，还能保证操作的原子性，还有比较好的性能。如，可以使用AtomicLong类型的变量在多线程环境下来做自增长的计数变量。 二、 线程安全之原子性 在多线程环境中原子性操作也是经常遇见的。比如计数器的实现。我们都知道可以实现原子操作的有三种方式:使用synchronized, 使用原子变量和使用显式锁。 而JDK中也定义了很多线程安全的类型，它们中的方法都是原子性的。比如vector和 hashtable，还有java.util.concurrent中的集合类。 但在实际应用中也可能会犯这样的错误: public void add(Object e){ If (!vector.contains(e)) vector.add(e); } contains和add都是原子的，但这是一个复合操作，并不能保证整个操作的原子性，还需要额外的锁。有人确实犯了这样的错误。 而很多人都会犯这个错误: public List list= Collection.synchronizedList(new ArrayList()); public synchronized void putIfAbsent(Object o){ if (! list.contains(o)) list.add(o); } 看起来没有什么问题。但是list本身使用的锁并不是putIfAbsent所用的锁。所以这个操作不是原子的。应该: public void putIfAbsent(Object o){ synchronized(list){ if (! list.contains(o)) list.add(o); } } 当然，这是一个‘缺少即加入’实现。Java 5.0之后有了并发容器。可以不用自己实现这样的功能了。 三、 线程安全之安全发布 先来看一个例子: 有一个正常的类 NiceValue public class NiceValue{ private int value; public NiceValue(int value){this.value=value} public void check(){ if(n!=n) throw new Exception(“Wrong Value!”); } } 还有一个类使用了类NiceValue public class Checker{ public NiceValue niceValue; public void init(){ niceValue=new NiceValue(1); } public void runCheck(){ for(int i=0;i<5;i++){ new Thread(){ public void run(){ init() niceValue.check(); } }.start(); } } Public static void main(String args[]){ new Checker().runCheck(); } } 在多CPU环境中，多次运行Checker，就会发现有时竟然会抛出异常～ 通常情况下，看类NiceValue, check方法怎么可能会抛出异常呢。但事实确是了。这是因为Checker对NiceValue做了不安全的发布使方法check可能读取了过期值。具体原因跟变量的可见性是一样的。多个线程访问了公共变量niceValue, 使niceValue中的value变量在多线程环境中不可见了。对NiceValue来说，它没有线程安全性的问题，但是Checker对它的不正确的发布，导致了线程的安全问题。 而有关发布的问题，最长遇见的是单实例模式的延迟初始化问题。 我们都能明白下面的方式是不安全的。 public class SingletonC{ private static SingletonC instance; public static SingletonC getInstance(){ if(instance==null) instance=new SingletonC(); return instance; } } 然后我们大多会通过加锁来保证线程安全。 当然还有更有效的方式: public class SingletonC{ private static class SingletonCHolder{ public static SingletonC instance=new SingletonC(); } public static SingletonC getInstance(){ return SingletonrCHolder.instance; } } 四、 内部锁与显式锁 在多线程编程中，synchronized是大家熟悉和经常用的，这也是java的内置锁。它可以 强制原子性和可见性。这没有什么可多说的。 Java 5.0 提供了新的选择:显式锁ReentrantLock。ReentrantLock在获取和释放锁方面都提供了与synchronized的语义。 1、显式锁与内部锁的区别: 不能中断正在等待获取内部锁的线程，必须在获取内部锁的代码块中释放内部锁。 而显式锁是可中断的，可定时的，显式锁必须在finally块中释放。使用方式如: Lock lock=new ReentrantLock(); lock.lock(); //这个方法会一直等，不可中断 try {… …} finally { lock.unlock(); } if (lock.tryLock()) { //没有获取锁，不等， try{… …}finally{lock.unlock();} } if(lock.tryLock(3,SECONDS)){ //如果没有获取锁，继续尝试3秒钟 try{… …}finally{lock.unlock();} } lock.lockTerrruptibly(); //可中断，抛出InterruptedException 异常 try {… …} finally { lock.unlock(); } 注意:一定要记得在finally块中释放锁，这通常也是显示锁的一个风险。 2、性能对比 在java 5.0，显式锁跟内部锁比，有很大的性能提升。 但是java 6也改善了内部锁的实现算法，使用了类似显式锁的算法。内部锁的性能已经很接近显式锁了。 3、锁的选择 Java 6中，内部锁的性能已经非常接近显式锁了。而且，内部锁使用比较简洁，而显式锁还存在忘记在finally块中释放的风险。如果能用内部锁解决，就尽量用内部锁。 4、读写锁 Java 5.0还提供了一个很特殊的锁:读写锁ReadWriteLock。有时会很有用的哦。 它允许多个线程来同时读取，但是只允许一个线程写。 很明显，这可能会带来性能的提升。 例子: public class ReadWriteData{ private final Map map; private final ReadWriteLock lock=new ReentrantReadWriteLock(); private final Lock rLock=lock.readLock(); private final Lock wLock=lock.writeLock(); public ReadWriteData(Map map){ this.map=map; } public void put(K key,V value){ wLock.lock(); try{ map.put(key,value); } finally{wLock.unlock();} } public V get(K key){ rLock.lock(); try{ return map.get(key); } finally{rLock.unlock();} } } 五、 并发容器