一文詳解Java執行緒中的安全策略

2022-05-17 19:00:49

一、不可變物件

不可變物件需要滿足的條件

（1）物件建立以後其狀態就不能修改

（2）物件所有域都是final型別

（3）物件是正確建立的（在物件建立期間，this參照沒有溢位）

對於不可變物件，可以參見JDK中的String類

final關鍵字：類、方法、變數

（1）修飾類：該類不能被繼承，String類，基礎型別的包裝類（比如Integer、Long等）都是final型別。final類中的成員變數可以根據需要設定為final型別，但是final類中的所有成員方法，都會被隱式的指定為final方法。

（2）修飾方法：鎖定方法不被繼承類修改；效率。注意：一個類的private方法會被隱式的指定為final方法

（3）修飾變數：基本資料型別變數（數值被初始化後不能再修改）、參照型別變數（初始化之後則不能再指向其他的物件）

在JDK中提供了一個Collections類，這個類中提供了很多以unmodifiable開頭的方法，如下：

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

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

此時，將我們自己建立的Collection、List、Set、Map，傳遞到Collections.unmodifiableXXX方法中，就變為不可變的了。此時，如果修改Collection、List、Set、Map中的元素就會丟擲java.lang.UnsupportedOperationException異常。

在Google的Guava中，包含了很多以Immutable開頭的類，如下：

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

注意：使用Google的Guava，需要在Maven中新增如下依賴包：

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

二、執行緒封閉

（1）Ad-hoc執行緒封閉：程式控制實現，最糟糕，忽略

（2）堆疊封閉：區域性變數，無並行問題

（3）ThreadLocal執行緒封閉：特別好的封閉方法

三、執行緒不安全類與寫法

1. StringBuilder -> StringBuffer

StringBuilder:執行緒不安全；

StringBuffer：執行緒不安全；

字串拼接涉及到多執行緒操作時，使用StringBuffer實現

在一個具體的方法中，定義一個字串拼接物件，此時可以使用StringBuilder實現。因為在一個方法內部定義區域性變數進行使用時，屬於堆疊封閉，只有一個執行緒會使用變數，不涉及多執行緒對變數的操作，使用StringBuilder即可。

2. SimpleDateFormat -> JodaTime

SimpleDateFormat:執行緒不安全，可以將其物件的範例化放入到具體的時間格式化方法中，實現執行緒安全
JodaTime：執行緒安全

SimpleDateFormat執行緒不安全的程式碼範例如下：

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");
    //請求總數
    public static int clientTotal = 5000;
    //同時並行執行的執行緒數
    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);
        }
    }
}

修改成如下程式碼即可。

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 {
    //請求總數
    public static int clientTotal = 5000;
    //同時並行執行的執行緒數
    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);
        }
    }
}

對於JodaTime需要在Maven中新增如下依賴包：

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

範例程式碼如下：

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 {
    //請求總數
    public static int clientTotal = 5000;
    //同時並行執行的執行緒數
    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集合類為執行緒不安全類

4. 先檢查再執行：if(condition(a)){handle(a);}

注意：這種寫法是執行緒不安全的！！！！！

兩個執行緒同時執行這種操作，同時對if條件進行判斷，並且a變數是執行緒共用的，如果兩個執行緒均滿足if條件，則兩個執行緒會同時執行handle(a)語句，此時，handle(a)語句就可能不是執行緒安全的。

不安全的點在於兩個操作中，即使前面的執行過程是執行緒安全的，後面的過程也是執行緒安全的，但是前後執行過程的間隙不是原子性的，因此，也會引發執行緒不安全的問題。

實際過程中，遇到if(condition(a)){handle(a);}類的處理時，考慮a是否是執行緒共用的，如果是執行緒共用的，則需要在整個執行方法上加鎖，或者保證if(condition(a)){handle(a);}的前後兩個操作（if判斷和程式碼執行）是原子性的。

四、執行緒安全-同步容器

1. ArrayList -> Vector, Stack

ArrayList:執行緒不安全；

Vector:同步操作，但是可能會出現執行緒不安全的情況，執行緒不安全的程式碼範例如下：

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：繼承自Vector，先進後出。

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

HashMap：執行緒不安全；

HashTable：執行緒安全，注意使用HashTable時，Key, Value都不能為null；

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

注意：在遍歷集合的時候，不要對集合進行更新操作。當需要對集合中的元素進行刪除操作時，可以遍歷集合，先對需要刪除的元素進行標記，集合遍歷結束後，再進行刪除操作。例如，下面的範例程式碼：

public class VectorExample3 {

    //此方法丟擲：java.util.ConcurrentModificationException
    private static void test1(Vector<Integer> v1){
        for(Integer i : v1){
            if(i == 3){
                v1.remove(i);
            }
        }
    }
    //此方法丟擲：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、執行緒安全-並行容器J.U.C

J.U.C表示的是java.util.concurrent報名的縮寫。

1. ArrayList -> CopyOnWriteArrayList

ArrayList:執行緒不安全；

CopyOnWriteArrayList:執行緒安全；

寫操作時複製，當有新元素新增到CopyOnWriteArrayList陣列時，先從原有的陣列中拷貝一份出來，然後在新的陣列中進行寫操作，寫完之後再將原來的陣列指向到新的陣列。整個操作都是在鎖的保護下進行的。

CopyOnWriteArrayList缺點：

（1）每次寫操作都需要複製一份，消耗記憶體，如果元素特別多，可能導致GC；

（2）不能用於實時讀的場景，適合讀多寫少的場景；

CopyOnWriteArrayList設計思想：

（1）讀寫分離

（2）最終一致性

（3）使用時另外開闢空間，解決並行衝突

注意：CopyOnWriteArrayList讀操作時，都是在原陣列上進行的，不需要加鎖，寫操作時複製，當有新元素新增到CopyOnWriteArrayList陣列時，先從原有的集合中拷貝一份出來，然後在新的陣列中進行寫操作，寫完之後再將原來的陣列指向到新的陣列。整個操作都是在鎖的保護下進行的。

2.HashSet、TreeSet -> CopyOnWriteArraySet、ConcurrentSkipListSet

CopyOnWriteArraySet:執行緒安全的，底層實現使用了CopyOnWriteArrayList。

ConcurrentSkipListSet：JDK6新增的類，支援排序。可以在構造時，自定義比較器，基於Map集合。在多執行緒環境下，ConcurrentSkipListSet中的contains()方法、add()、remove()、retain()等操作，都是執行緒安全的。但是，批次操作，比如：containsAll()、addAll()、removeAll()、retainAll()等操作，並不保證整體一定是原子操作，只能保證批次操作中的每次操作是原子性的，因為批次操作中是以迴圈的形式呼叫的單步操作，比如removeAll()操作下以迴圈的方式呼叫remove()操作。如下程式碼所示：

//ConcurrentSkipListSet型別中的removeAll()方法的原始碼
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，在執行ConcurrentSkipListSet中的批次操作時，需要考慮加鎖問題。

注意：ConcurrentSkipListSet類不允許使用空元素(null)。

3. HashMap、TreeMap -> ConcurrentHashMap、ConcurrentSkipListMap

ConcurrentHashMap:執行緒安全，不允許空值

ConcurrentSkipListMap：是TreeMap的執行緒安全版本，內部是使用SkipList跳錶結構實現

4.ConcurrentSkipListMap與ConcurrentHashMap對比如下

（1）ConcurrentSkipListMap中的Key是有序的，ConcurrentHashMap中的Key是無序的；

（2）ConcurrentSkipListMap支援更高的並行，對資料的存取時間和執行緒數幾乎無關，也就是說，在資料量一定的情況下，並行的執行緒數越多，ConcurrentSkipListMap越能體現出它的優勢。

注意：在非對執行緒下儘量使用TreeMap，另外，對於並行數相對較低的並行程式，可以使用Collections.synchronizedSortedMap，將TreeMap進行包裝；對於高並行程式，使用ConcurrentSkipListMap提供更高的並行度；在多執行緒高並行環境中，需要對Map的鍵值對進行排序，儘量使用ConcurrentSkipListMap。