Java原生支持多線(xiàn)程，意味著通過(guò)在獨(dú)立的線(xiàn)程中并發(fā)運(yùn)行，JVM能夠提升應(yīng)用程序的性能。

盡管多線(xiàn)程是一個(gè)強(qiáng)大的特性，但它也有代價(jià)。在多線(xiàn)程環(huán)境中，我們需要時(shí)刻崩著線(xiàn)程安全這根弦，即在不同的線(xiàn)程可以訪(fǎng)問(wèn)相同的資源，而不會(huì)暴露錯(cuò)誤行為或產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的結(jié)果，這種編程方法被稱(chēng)為“線(xiàn)程安全”。

一、無(wú)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)

在大多數(shù)情況下，多線(xiàn)程中的錯(cuò)誤是由于多個(gè)線(xiàn)程之間錯(cuò)誤地共享狀態(tài)導(dǎo)致的。

因此，我們首先要探討的方法是：使用無(wú)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)來(lái)達(dá)到線(xiàn)程安全。

為了更好地理解這種方法，先創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的工具類(lèi)，它有一個(gè)靜態(tài)方法用于計(jì)算數(shù)字的階乘：

public class MathUtils {

    public static BigInteger factorial(int number) {
        BigInteger f = new BigInteger("1");
        for (int i = 2; i <= number; i++) {
            f = f.multiply(BigInteger.valueOf(i));
        }
        return f;
    }
}

factorial()方法是一個(gè)無(wú)狀態(tài)的確定性函數(shù)：給定特定的輸入，總是得到相同的輸出。

該方法既不依賴(lài)外部狀態(tài)，也不維護(hù)狀態(tài)。因此，它被認(rèn)為是線(xiàn)程安全的，可以同時(shí)被多個(gè)線(xiàn)程安全地調(diào)用。

所有線(xiàn)程都可以安全地調(diào)用factorial()方法，并將獲得預(yù)期的結(jié)果，而不會(huì)相互干擾，也不會(huì)改變?cè)摲椒槠渌€(xiàn)程生成的輸出。

因此，無(wú)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程安全的最簡(jiǎn)單方法。

二、不可變實(shí)現(xiàn)

如果我們需要在不同線(xiàn)程之間共享狀態(tài)，我們可以通過(guò)使類(lèi)不可變來(lái)創(chuàng)建線(xiàn)程安全的類(lèi)。

不可變性是一個(gè)強(qiáng)大的、與語(yǔ)言無(wú)關(guān)的概念，在Java中很容易實(shí)現(xiàn)。在函數(shù)式編程中，很重要的一個(gè)技巧就是不可變，參見(jiàn)什么是函數(shù)式編程？。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，當(dāng)一個(gè)類(lèi)實(shí)例在構(gòu)造后其內(nèi)部狀態(tài)不能被修改時(shí)，它就是不可變的。

在Java中創(chuàng)建不可變類(lèi)的最簡(jiǎn)單方法是聲明所有字段為私有且為final，并且不提供設(shè)置器：

public class MessageService {

    privatefinal String message;

    public MessageService(String message) {
        this.message = message;
    }

    public String getAndPrint() {
        System.out.println(message);
        return message;
    }

    public String getMessage() {
        return message;
    }
}

一個(gè)MessageService對(duì)象，在其構(gòu)造后其狀態(tài)不能改變，所以是線(xiàn)程安全的。

此外，如果MessageService是可變的，但多個(gè)線(xiàn)程對(duì)其只有只讀權(quán)限，它也是線(xiàn)程安全的。

如我們所見(jiàn)，不可變性是實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程安全的另一種方式。

三、線(xiàn)程局部字段

在面向?qū)ο缶幊蹋∣OP）中，對(duì)象實(shí)際上需要通過(guò)字段維護(hù)狀態(tài)，并通過(guò)一個(gè)或多個(gè)方法實(shí)現(xiàn)行為。

如果我們確實(shí)需要維護(hù)狀態(tài)，我們可以使用線(xiàn)程局部字段來(lái)創(chuàng)建線(xiàn)程安全的類(lèi)，線(xiàn)程局部字段在線(xiàn)程之間就不共享狀態(tài)。

我們可以通過(guò)在Thread類(lèi)中定義私有字段輕松創(chuàng)建字段為線(xiàn)程局部的類(lèi)。

比如，我們可以定義一個(gè)Thread類(lèi)，它存儲(chǔ)一個(gè)整數(shù)數(shù)組：

public class ThreadA extends Thread {

    private final List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5, 6);

    @Override
    public void run() {
        numbers.forEach(System.out::println);
    }
}

另一個(gè)Thread類(lèi)可能持有一個(gè)字符串?dāng)?shù)組：

public class ThreadB extends Thread {
    
    private final List<String> letters = Arrays.asList("a", "b", "c", "d", "e", "f");
    
    @Override
    public void run() {
        letters.forEach(System.out::println);
    }
}

在這兩種實(shí)現(xiàn)中，類(lèi)都有自己的狀態(tài)，但不與其他線(xiàn)程共享。因此，這些類(lèi)是線(xiàn)程安全的。

類(lèi)似地，我們可以通過(guò)將ThreadLocal實(shí)例分配給一個(gè)字段來(lái)創(chuàng)建線(xiàn)程局部字段。

考慮以下StateHolder類(lèi)：

public class StateHolder {
    private String state;

    public StateHolder(String state) {
        this.state = state;
    }

    public String getState() {
        return state;
    }

    public void setState(String state) {
        this.state = state;
    }
}

我們可以很容易地使其成為一個(gè)線(xiàn)程局部變量：

public class ThreadState {

    public static final ThreadLocal<StateHolder> statePerThread =
            ThreadLocal.withInitial(() -> new StateHolder("active"));

    public static StateHolder getState() {
        return statePerThread.get();
    }
}

線(xiàn)程局部字段與普通類(lèi)字段非常相似，不同之處在于每個(gè)通過(guò)setter/getter訪(fǎng)問(wèn)它們的線(xiàn)程，都會(huì)獲得該字段的獨(dú)立初始化副本，以便每個(gè)線(xiàn)程都有自己的狀態(tài)。

四、同步集合

我們可以通過(guò)使用集合框架中包含的同步包裝器輕松創(chuàng)建線(xiàn)程安全的集合。

比如，我們可以創(chuàng)建一個(gè)線(xiàn)程安全的集合：

Collection<Integer> syncCollection = Collections.synchronizedCollection(new ArrayList<>());
Thread thread1 = new Thread(() -> syncCollection.addAll(Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5, 6)));
Thread thread2 = new Thread(() -> syncCollection.addAll(Arrays.asList(7, 8, 9, 10, 11, 12)));
thread1.start();
thread2.start();

請(qǐng)記住，同步集合在每個(gè)方法中使用內(nèi)部鎖，這意味著這些方法一次只能被一個(gè)線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)，而其他線(xiàn)程將被阻塞，直到第一個(gè)線(xiàn)程釋放該方法的鎖。

五、并發(fā)集合

作為同步集合的替代方案，我們可以使用并發(fā)集合來(lái)創(chuàng)建線(xiàn)程安全的集合。

Java提供了java.util.concurrent包，其中包含幾個(gè)并發(fā)集合，比如ConcurrentHashMap：

Map<String,String> concurrentMap = new ConcurrentHashMap<>();
concurrentMap.put("1", "one");
concurrentMap.put("2", "two");
concurrentMap.put("3", "three");

與同步集合不同，并發(fā)集合通過(guò)將數(shù)據(jù)分割成段來(lái)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程安全。例如，在ConcurrentHashMap中，多個(gè)線(xiàn)程可以獲取不同映射段的鎖，因此多個(gè)線(xiàn)程可以同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)該映射。

由于并發(fā)線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)的固有優(yōu)勢(shì)，并發(fā)集合比同步集合性能更高。

需要注意的是，無(wú)論同步集合還是并發(fā)集合，都是集合本身線(xiàn)程安全，其內(nèi)容并不是。

六、原子對(duì)象

我們還可以使用Java提供的原子類(lèi)集合來(lái)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程安全，包括AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean和AtomicReference。

原子類(lèi)允許我們執(zhí)行原子操作，這些操作是線(xiàn)程安全的，而無(wú)需使用同步。

為了理解這解決了什么問(wèn)題，讓我們看一下以下Counter類(lèi)：

public class Counter {

    private int counter = 0;

    public void incrementCounter() {
        counter += 1;
    }

    public int getCounter() {
        return counter;
    }
}

假設(shè)在一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)條件下，兩個(gè)線(xiàn)程同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)incrementCounter()方法。

理論上，counter字段的最終值將為2。但我們不能確定結(jié)果，因?yàn)榫€(xiàn)程同時(shí)執(zhí)行相同的代碼塊，并且遞增操作不是原子的?？梢詤⒁?jiàn)在多線(xiàn)程中使用ArrayList會(huì)發(fā)生什么？的說(shuō)明。

讓我們使用AtomicInteger對(duì)象創(chuàng)建Counter類(lèi)的線(xiàn)程安全實(shí)現(xiàn)：

public class AtomicCounter {

    private final AtomicInteger counter = new AtomicInteger();

    public void incrementCounter() {
        counter.incrementAndGet();
    }

    public int getCounter() {
        return counter.get();
    }
}

這是線(xiàn)程安全的，因?yàn)殡m然遞增操作++需要多個(gè)操作，但incrementAndGet是原子的。

七、同步方法

前面的方法對(duì)于集合和基本類(lèi)型非常有用，但有時(shí)我們需要更復(fù)雜的控制邏輯。

因此，我們可以使用的另一種常見(jiàn)方法是：實(shí)現(xiàn)同步方法來(lái)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程安全。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，一次只能有一個(gè)線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)同步方法，同時(shí)阻止其他線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)該方法。其他線(xiàn)程將保持阻塞，直到第一個(gè)線(xiàn)程完成或該方法拋出異常。

我們可以通過(guò)將incrementCounter()方法變?yōu)橥椒椒▉?lái)以另一種方式創(chuàng)建其線(xiàn)程安全版本：

public synchronized void incrementCounter() {
    counter += 1;
}

我們通過(guò)在方法簽名前加上synchronized關(guān)鍵字創(chuàng)建了一個(gè)同步方法。

由于一次只能有一個(gè)線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)同步方法，一個(gè)線(xiàn)程將執(zhí)行incrementCounter()方法，其他線(xiàn)程將依次執(zhí)行。不會(huì)發(fā)生任何重疊執(zhí)行。

同步方法依賴(lài)于使用“內(nèi)部鎖”或“監(jiān)視器”，內(nèi)部鎖是與特定類(lèi)實(shí)例相關(guān)聯(lián)的隱式內(nèi)部實(shí)體。具體參加synchronized 鎖同步。

在多線(xiàn)程上下文中，“監(jiān)視器”只是對(duì)鎖在相關(guān)對(duì)象上執(zhí)行的角色的引用，它強(qiáng)制對(duì)一組指定的方法或語(yǔ)句進(jìn)行獨(dú)占訪(fǎng)問(wèn)。

當(dāng)一個(gè)線(xiàn)程調(diào)用同步方法時(shí)，它獲取內(nèi)部鎖，線(xiàn)程執(zhí)行完方法后，會(huì)釋放鎖，允許其他線(xiàn)程獲取鎖并訪(fǎng)問(wèn)該方法。

我們可以在實(shí)例方法、靜態(tài)方法和語(yǔ)句（同步語(yǔ)句）中實(shí)現(xiàn)同步。

八、同步語(yǔ)句

有時(shí)，如果我們只需要使方法的一部分線(xiàn)程安全，同步整個(gè)方法可能有些過(guò)度。

我們?cè)僦貥?gòu)incrementCounter()方法：

public void incrementCounter() {
    // 其他未同步的操作
    synchronized(this) {
        counter += 1; 
    }
}

假設(shè)該方法現(xiàn)在執(zhí)行一些其他不需要同步的操作，我們通過(guò)將相關(guān)的狀態(tài)修改部分包裝在同步塊中來(lái)僅同步這部分。

與同步方法不同，同步語(yǔ)句必須指定提供內(nèi)部鎖的對(duì)象，通常是this引用。

同步是有代價(jià)的，通過(guò)同步代碼塊，能夠僅同步方法的相關(guān)部分。

（一）其他對(duì)象作為鎖

我們可以通過(guò)利用另一個(gè)對(duì)象作為監(jiān)視器鎖（而不是this）來(lái)稍微改進(jìn)Counter類(lèi)的線(xiàn)程安全實(shí)現(xiàn)。

這不僅在多線(xiàn)程環(huán)境中為共享資源提供了協(xié)調(diào)訪(fǎng)問(wèn)，還使用外部實(shí)體來(lái)強(qiáng)制對(duì)資源的獨(dú)占訪(fǎng)問(wèn)：

public class ObjectLockCounter {

    privateint counter = 0;
    privatefinal Object lock = new Object();

    public void incrementCounter() {
        synchronized (lock) {
            counter += 1;
        }
    }

    public int getCounter() {
        return counter;
    }
}

我們使用一個(gè)普通的Object實(shí)例來(lái)實(shí)現(xiàn)互斥，它提高了鎖級(jí)別的安全性。

當(dāng)使用this進(jìn)行內(nèi)部鎖時(shí)，攻擊者可以通過(guò)獲取內(nèi)部鎖并觸發(fā)拒絕服務(wù)（DoS）條件來(lái)導(dǎo)致死鎖。

相反，當(dāng)使用其他對(duì)象時(shí)，無(wú)法從外部訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)私有對(duì)象，攻擊者很難獲取鎖并導(dǎo)致死鎖。

（二）注意事項(xiàng)

盡管我們可以使用任何Java對(duì)象作為內(nèi)部鎖，但我們應(yīng)該避免使用String進(jìn)行鎖定：

public class Class1 {
    privatestaticfinal String LOCK  = "Lock";

    // 使用LOCK作為內(nèi)部鎖
}

publicclass Class2 {
    privatestaticfinal String LOCK  = "Lock";

    // 使用LOCK作為內(nèi)部鎖
}

乍一看，似乎這兩個(gè)類(lèi)使用了兩個(gè)不同的對(duì)象作為它們的鎖。然而，由于字符串駐留，這兩個(gè)“Lock”值實(shí)際上可能在字符串池中引用同一個(gè)對(duì)象。也就是說(shuō)，Class1和Class2共享同一個(gè)鎖！

除了String，我們應(yīng)該避免使用任何可緩存或可重用的對(duì)象作為內(nèi)部鎖。比如，Integer.valueOf()方法緩存小數(shù)字。因此，即使在不同的類(lèi)中調(diào)用Integer.valueOf(1)也會(huì)返回同一個(gè)對(duì)象。

九、易失性字段

同步方法和塊對(duì)于解決線(xiàn)程之間的變量可見(jiàn)性問(wèn)題很方便，即便如此，常規(guī)類(lèi)字段的值可能會(huì)被CPU緩存。因此，即使對(duì)特定字段進(jìn)行了同步更新，其他線(xiàn)程可能也看不到這些更新。

為了防止這種情況，我們可以使用易失性類(lèi)字段（通過(guò)volatile關(guān)鍵字標(biāo)記）：

public class Counter {

    private volatile int counter;

    // 標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)造函數(shù)/獲取器
}

通過(guò)使用volatile關(guān)鍵字，我們指示JVM和編譯器將counter變量存儲(chǔ)在主內(nèi)存中。這樣，我們確保每次JVM讀取counter變量的值時(shí)，它實(shí)際上是從主內(nèi)存中讀取，而不是從CPU緩存中讀取。同樣，每次JVM寫(xiě)入counter變量時(shí)，值將被寫(xiě)入主內(nèi)存。

此外，使用易失性變量確保給定線(xiàn)程可見(jiàn)的所有變量也將從主內(nèi)存中讀取。

比如：

public class User {

    private String name;
    private volatile int age;

    // 標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)造函數(shù)/獲取器
}

在這種情況下，每次JVM將age易失性變量寫(xiě)入主內(nèi)存時(shí)，它也會(huì)將非易失性name變量寫(xiě)入主內(nèi)存。這確保了兩個(gè)變量的最新值都存儲(chǔ)在主內(nèi)存中，因此對(duì)變量的后續(xù)更新將自動(dòng)對(duì)其他線(xiàn)程可見(jiàn)。

類(lèi)似地，如果一個(gè)線(xiàn)程讀取易失性變量的值，該線(xiàn)程可見(jiàn)的所有變量也將從主內(nèi)存中讀取。

易失性變量提供的這種擴(kuò)展保證被稱(chēng)為完全易失性可見(jiàn)性保證。

十、可重入鎖

Java提供了一組改進(jìn)的鎖實(shí)現(xiàn)，其行為比上面討論的內(nèi)部鎖稍微復(fù)雜一些。

對(duì)于內(nèi)部鎖，鎖獲取模型相當(dāng)嚴(yán)格：一個(gè)線(xiàn)程獲取鎖，然后執(zhí)行一個(gè)方法或代碼塊，最后釋放鎖，以便其他線(xiàn)程可以獲取它并訪(fǎng)問(wèn)該方法。內(nèi)部鎖沒(méi)有實(shí)現(xiàn)檢查排隊(duì)的線(xiàn)程并優(yōu)先訪(fǎng)問(wèn)等待時(shí)間最長(zhǎng)的線(xiàn)程，即屬于非公平鎖。

ReentrantLock實(shí)例允許我們做到這一點(diǎn)，防止排隊(duì)的線(xiàn)程遭受某些類(lèi)型的資源饑餓：

public class ReentrantLockCounter {

    privateint counter;
    privatefinal ReentrantLock reLock = new ReentrantLock(true);

    public void incrementCounter() {
        reLock.lock();
        try {
            counter += 1;
        } finally {
            reLock.unlock();
        }
    }

    public int getCounter() {
        return counter;
    }
}

ReentrantLock構(gòu)造函數(shù)接受一個(gè)可選的公平性布爾參數(shù)，當(dāng)設(shè)置為true且多個(gè)線(xiàn)程試圖獲取鎖時(shí)，JVM將優(yōu)先考慮等待時(shí)間最長(zhǎng)的線(xiàn)程并授予其訪(fǎng)問(wèn)鎖的權(quán)限，即實(shí)現(xiàn)公平鎖。

十一、讀寫(xiě)鎖

我們可以使用讀寫(xiě)鎖實(shí)現(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程安全。讀寫(xiě)鎖實(shí)際上使用一對(duì)相關(guān)聯(lián)的鎖，一個(gè)用于只讀操作，另一個(gè)用于寫(xiě)入操作。

因此，只要沒(méi)有線(xiàn)程正在寫(xiě)入資源，就可以有多個(gè)線(xiàn)程讀取該資源。此外，寫(xiě)入資源的線(xiàn)程將阻止其他線(xiàn)程讀取它。

以下是我們?nèi)绾问褂米x寫(xiě)鎖：

public class ReentrantReadWriteLockCounter {

    privateint counter;
    privatefinal ReentrantReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
    privatefinal Lock readLock = rwLock.readLock();
    privatefinal Lock writeLock = rwLock.writeLock();

    public void incrementCounter() {
        writeLock.lock();
        try {
            counter += 1;
        } finally {
            writeLock.unlock();
        }
    }

    public int getCounter() {
        readLock.lock();
        try {
            return counter;
        } finally {
            readLock.unlock();
        }
    }
}

文末總結(jié)

在本文中，我們了解了Java中的線(xiàn)程安全是什么，并深入研究了實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程安全的11種方法。