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「Java并发编程实战」之对象的共享

前言

  本系列博客是对《Java并发编程实战》的一点总结,本篇主要讲解以下几个内容,内容会比较枯燥。可能大家看标题不能能直观的感受出到底什么意思,这就是专业术语,哈哈,解释下,术语(terminology)是在特定学科领域用来表示概念的称谓的集合,在我国又称为名词或科技名词(不同于语法学中的名词)。术语是通过语音或文字来表达或限定科学概念的约定性语言符号,是思想和认识交流的工具。我就用白话文来给大家解释下这些术语。

线程安全

  什么是线程安全?这算是老生常谈的问题了,相信大家在面试的过程中也遇到过,在线程安全的定义中,最核心的概念就是正确性,如果对线程安全性的定义是模糊的,那么就是缺乏对正确性的清晰定义。正确性的含义是,某个类的行为与其规范完全一致,在良好的规范中通常会定义各种不变性条件来约束对象的状态,以及定义各种后验条件来描述对象操作的结果。说白了就是一个类无论是在单线程环境还是多线程环境中都能正确的执行,那么这个类就是线程安全的。如果在线程交替执行的过程中导致不可预料的结果,那么就是线程不安全的。

可见性

  假如有一个变量,现在对它进行读写操作,可见性说的就是当前线程对变量的写操作是否对其它线程可见,就是其它线程能不能知道你对这个变量做了修改。如果不能保证可见,必须使用同步机制。否则当其他线程来读这个变量的时候,可能会得到一个已经失效的值。这个值就被称为失效数据。
  在这里提醒大家,对于非volatile类型的long和double变量JVM允许将64位的读操作或写操作分解为两个32位的操作,当读一个非volatile类型的long变量时,如果读写操作是在不同的线程中执行,那么很可能会读取到某个值的高32位和另一个值的低32位,所以在多线程环境中使用共享可变的long和double等类型的变量时不安全的,除非使用关键字volatile来声明它们,或者用锁保护起来。

  1. 现在来介绍一下Volatile: Java语言提供了一种稍弱的同步机制,即volatile类型,用来确保将变量的更新操作通知到其他线程。使用就是在变量前面加上volatile即可。在 JMM 中,线程之间的通信采用共享内存来实现的。volatile 的内存语义是:
  • 当写一个 volatile 变量时,JMM 会把该线程对应的本地内存中的共享变量值,立即刷新到主内存中。
  • 当读一个 volatile 变量时,JMM 会把该线程对应的本地内存设置为无效,直接从主内存中读取共享变量。
  1. volatile的使用条件:
  • 对变量的写入操作不依赖变量的当前值,或者你能确保只有单个线程更新变量的值。
  • 该变量不会与其他状态变量一起纳入不变性条件中。
  • 在访问变量时不需要加锁。

加锁机制既可以确保可见性又可以确保原子性,而volatile变量只能确保可见性,千万不要用它来确保原子性操作。

发布与逸出

发布一个对象的意思就是使对象能够在当前作用域之外的代码中使用,例如,将一个指向该对象的的引用保存到其他代码可以访问的地方,或者在某一个非私有的方法中返回该引用,或者将引用传递到其他类方法中。当某个不应该发布的对象被发布时,这种情况被称为逸出。

线程封闭

当访问共享的可变数据时,通常需要使用同步。一种避免使用同步的方式就是不同享数据,如果仅在单线程内访问数据,就不需要同步,这种技术被称为线程封闭,它是实现线程安全性最简单的方法之一。下面介绍几种线程封闭技术。

  1. Ad-hoc线程封闭

    Ad-hoc线程封闭是指,维护线程封闭性的职责完全有程序实现来承担。例如可见性修饰符或局部变量,能将对象封闭到目标线程上。事实上对于线程封闭对象通常保存在共有变量中。Ad-hoc线程封闭是非常脆弱的,所以程序中尽量少使用它,可以使用以下两种技术(栈封闭,ThreadLocal)。

  2. 栈封闭

    栈封闭也被成为线程内部使用或者线程局部使用,不要与ThredaLocal混淆,比Ad-hoc更易于维护,也更加健壮。在栈封闭中,只能通过局部变量才能访问对象。

//伪代码
public void test(){
//定义一个变量
Set set ;
// 实例化一个TreeSet对象,并将该对象的一个引用保存到set中。
set = new TreeSet();
}
复制代码

这样TreeSet对象就被封闭在局部变量中,因此也被封闭到执行线程中,它位于执行线程的栈中,其他线程无法访问这个栈。

  1. ThreadLocal

    维持线程封闭性的一种更为规范的方法是使用ThreadLocal,这个类能使线程中的某个值与保存值的对像关联起来,ThreadLocal提供了get与set等访问接口或方法,这些方法为每个使用该变量的线程都存有一份独立的副本,因此get总是返回由当前线程执行set时设置的最新值。ThreadLocal通常用于防止对可变对像的单实例变量或全局变量进行共享。

   //保存一个数据库连接对像
   public static ThreadLocal<Connection> connectionThreadLocal = 
   new ThreadLocal<Connection>(){
       @Override
       protected Connection initialValue() {
           return DriverManager.getConnection(DB_URl);
       }
   };
   //每个线程使用时直接get
   public static Connection getConnection(){
       return connectionThreadLocal.get();
   }
复制代码

不变性

如果某个对像在被创建之后其状态就不能被修改,那么这个对象就是不可变对象,线程安全性是是不可变对象的固有属性之一。当满足一下条件时,对象才是不可变的:

  • 对象创建后其状态就不能修改。
  • 对象的所有域都是final类型。
  • 对象是正确创建的(在对象的创建期间,this引用没有逸出)

Final域: 用于构造不可变对象。final类型的域是不能修改的(但如果final域所引用的对象是可变的,那么这些引用的对象是可以修改的)。然而在java内存模型中,final域还有着特殊的语义。final域能确保初始化过程的安全性,从而可以不受限制的访问不可变对象,并在共享这些对象时无须同步。

安全发布

  1. 要安全发布一个对象,对象的引用以及对象的状态必须同时对其他线程可见,一个正确构造的对象可以通过以下方式来安全的发布:
  • 在静态初始化函数中初始化一个对象引用。
  • 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对象的final类型域中。
  • 将对象的引用保存到一个由锁保护的域中。
  1. 在并发程序中使用和共享对象时,可以使用一些实用的策略:
  • 线程封闭:线程封闭的对象只能由一个线程拥有,对象被封闭在该线程中,并且只能由这个线程修改
  • 只读共享:在没有额外同步的情况下,共享的只读对象可以由多个线程并发访问,但任何线程都不能修改它,共享的只读对象包括不可变对象和事实不可变对象。
  • 线程安全共享:线程安全的对象在其内部实现同步,因此多线程可以通过对象的公有接口来进行访问而不需要进一步的同步。
  • 保护对象:被保护的对象只能通过持有特定的锁来访问,保护对象包括封装在其他线程安全对象中的对象,以及已发布的并且由某个特定锁保护的对象。

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