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第二章 線程安全性

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摘要：第二章線程安全性線程安全性的理解定義某個類的行為與其規(guī)范完全一致原子性競態(tài)條件理解當(dāng)操作的正確的結(jié)果取決于多個線程的交替執(zhí)行時序，就會發(fā)生競態(tài)條件。

第二章 線程安全性 2.1 線程安全性的理解

定義：某個類的行為與其規(guī)范完全一致

2.2 原子性 2.2.1 競態(tài)條件

理解：當(dāng)操作的正確的結(jié)果取決于多個線程的交替執(zhí)行時序，就會發(fā)生競態(tài)條件。常見的競態(tài)條件類型是
”先檢查后執(zhí)行“，首先觀察到某個條件為真再去采取下一步的動作（然而在這兩個操作之間其實觀察結(jié)果可能失效）

一個很常見的例子就是延遲初始化。當(dāng)一個線程根據(jù)觀察結(jié)果為空進(jìn)行初始化時，一個線程可能已經(jīng)建立了初始化。
@NotThreadSafe
public class LazyInitRace {
    private SampleClass sample;

    public SampleClass getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new SampleClass();
        }
        return instance;
    }
}
2.2.3 復(fù)合操作

原子操作：對于訪問同一個狀態(tài)的所有操作（包括該操作本身）來說，這個操作是以一個原子方式來執(zhí)行的操作，也即不可分割的操作。如這些操作：先檢查后執(zhí)行，讀取-修改-寫入等復(fù)合操作，包含了一組必須以原子方式執(zhí)行的操作以確保其線程安全性。

2.3 加鎖機(jī)制

線程安全性的定義中要求，多個線程之間無論采取何種執(zhí)行時序或交替方式，都要保證不變性條件不被破壞。當(dāng)在不變性條件中涉及多個策略時，各個變量之間不是彼此獨立的話，某個變量的值就會對其他變量的值產(chǎn)生約束。要保持狀態(tài)的一致性，就需要在單個原子操作中更新所有相關(guān)的狀態(tài)變量。

2.3.1 內(nèi)置鎖

Java提供的一種內(nèi)置鎖機(jī)制：同步代碼塊。同步代碼塊包括兩個部分：有個作為鎖的對象引用，一個作為由這個鎖保護(hù)的代碼塊，常見的有synchronized關(guān)鍵字：

synchronized (lock) {
    // TODO
}

附：
每個Java對象都可以用作一個實現(xiàn)同步的鎖，這些鎖被稱為內(nèi)置鎖或監(jiān)視器鎖。

2.3.2 重入

當(dāng)某個線程請求一個由其他線程持有的鎖時，發(fā)出請求的線程就會被阻塞。而如果這個線程試圖獲取已經(jīng)由它自己持有的鎖，則這個請求就會成功。否則，就會導(dǎo)致死鎖的發(fā)生。簡單示例如下：

public class Parent {
    public synchronized void parentMethod { ... }
}

public class Child extends Parent {
    public synchronized void childMethod { ... }
}
2.4 用鎖來保護(hù)狀態(tài)

首先了解一個概念，共享狀態(tài)：這里指各個線程共享的有狀態(tài)對象等。通過鎖來構(gòu)造一些協(xié)議，以實現(xiàn)對共享狀態(tài)的獨占訪問，只要始終遵循這些協(xié)議，就能確保狀態(tài)的一致性。
當(dāng)復(fù)合操作訪問共享狀態(tài)時，如讀取-修改-寫入，必須是原子操作以避免產(chǎn)生競態(tài)條件。
還需要理解的幾個點：1、僅僅將復(fù)合操作封裝到一個同步代碼塊中是不夠的。如果用同步來協(xié)調(diào)對某個變量的訪問，那么在訪問這個變量的所有位置上都需要同步。2、當(dāng)使用鎖來協(xié)調(diào)對某個變量的訪問時，在訪問變量的所有位置上都要使用同一個鎖。3、對于可能被多個線程同時訪問的可變狀態(tài)變量，在訪問它時都需要持有同一個鎖，在這種情況下，我們稱狀態(tài)變量是由這個鎖來保護(hù)的。4、每個共享的和可變的變量都應(yīng)該只有一個鎖來保護(hù)，從而使維護(hù)人員知道是哪一個鎖。
一種加鎖的約定是：使所有的可變狀態(tài)都封裝在對象內(nèi)部，并通過對象的內(nèi)置鎖對所有訪問可變狀態(tài)的代碼路徑·進(jìn)行同步，使得該對象上不會發(fā)生同步，如Vector類等。
當(dāng)類的不變性涉及到多個狀態(tài)變量時，那么還有另外一個需求：在不變性條件中的每個變量都必須由同一個鎖來保護(hù)。

2.5 活躍性與性能

不良并發(fā)程序：可同時調(diào)用的數(shù)量，不僅受到可用處理資源的限制，還受到應(yīng)用程序本身的限制。一種改良做法是（書中給出的），要確保同步代碼塊不要過小，且不要將本應(yīng)是原子的操作拆分到多個同步代碼中。應(yīng)盡量將不影響共享狀態(tài)且執(zhí)行時間較長的操作從同步代碼中分離出去，從而在這些操作的執(zhí)行過程中，其他線程可以訪問共享狀態(tài)。

public class CachedFactorizer implements Servlet {
    private BigInteger lastNumber;
    private BigInteger[] lastFactors;
    private long hits;
    private long cacheHits;

    public synchronized long getHits() {
        return hits;
    }

    public synchronized double getCachedHits() {
        return (double)cacheHits / (double)hits;
    }

    public void service(ServletRequest req, ServletReponse resp) {
        BigInteger i = extractFromRequest(req);
        BigInteger[] factors = null;

        synchronized(this) {
            ++hits;
            if (i.equals(lastNumber)) {
                ++cacheHits;
                factors = lastFactors.clone();
            }
        }

        if (factors == null) {
            factors = getFactor(i);
            synchronized(this) {
                lastNumber = i;
                lastFactors = factors.clone();
            }
        }

        encodeIntoResponse(resp, factors);
    }
}

要判斷同步代碼的和李大霄，需要在各個設(shè)計需求之間進(jìn)行權(quán)衡，包括安全性、簡單性和性能。如果持有鎖的時間過長，那么會帶來活躍性或性能問題：當(dāng)執(zhí)行時間較長的計算或者可能無法快速完成的操作時（例如，網(wǎng)絡(luò)I/O或控制態(tài)I/O，一定不要持有鎖。

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