Java并發：五種線程安全類型、線程安全的實現、枚舉類型 - 網安

1. Java中的線程安全

Java線程安全：狹義地認為是多線程之間共享數據的訪問。
Java語言中各種操作共享的數據有5種類型：不可變、絕對線程安全、相對線程安全、線程兼容、線程獨立

① 不可變

不可變（Immutable）的對象一定是線程安全的，不需要再采取任何的線程安全保障措施。
只要能正確構建一個不可變對象，該對象永遠不會在多個線程之間出現不一致的狀態。
多線程環境下，應當盡量使對象成為不可變，來滿足線程安全。

如何實現不可變？

如果共享數據是基本數據類型，使用final關鍵字對其進行修飾，就可以保證它是不可變的。
如果共享數據是一個對象，要保證對象的行為不會對其狀態產生任何影響。
String是不可變的，對其進行substring()、replace()、concat()等操作，返回的是新的String對象，原始的String對象的值不受影響。而如果對StringBuffer或者StringBuilder對象進行substring()、replace()、append()等操作，直接對原對象的值進行改變。
要構建不可變對象，需要將內部狀態變量定義為final類型。如java.lang.Integer類中將value定義為final類型。

private final int value;

常見的不可變的類型：

final關鍵字修飾的基本數據類型
枚舉類型、String類型
常見的包裝類型：Short、Integer、Long、Float、Double、Byte、Character等
大數據類型：BigInteger、BigDecimal

注意：原子類 AtomicInteger 和 AtomicLong 則是可變的。

對于集合類型，可以使用 Collections.unmodifiableXXX() 方法來獲取一個不可變的集合。

通過Collections.unmodifiableMap(map)獲的一個不可變的Map類型。
Collections.unmodifiableXXX() 先對原始的集合進行拷貝，需要對集合進行修改的方法都直接拋出異常。

例如，如果獲得的不可變map對象進行put()、remove()、clear()操作，則會拋出UnsupportedOperationException異常。

② 絕對線程安全

絕對線程安全的實現，通常需要付出很大的、甚至不切實際的代價。

Java API中提供的線程安全，大多數都不是絕對線程安全。

例如，對于數組集合Vector的操作，如get()、add()、remove()都是有synchronized關鍵字修飾。有時調用時也需要手動添加同步手段，保證多線程的安全。

下面的代碼看似不需要同步，實際運行過程中會報錯。

import java.util.Vector;

/**
 * @Author: lucy
 * @Version 1.0
 */
public class VectorTest {
    public static void main(String[] args) {
        Vector vector = new Vector<>();
        while(true){
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                vector.add(i);
            }
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
                        System.out.println("獲取vector的第" + i + "個元素: " + vector.get(i));
                    }
                }
            }).start();
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int i=0;i                        System.out.println("刪除vector中的第" + i+"個元素");
                        vector.remove(i);
                    }
                }
            }).start();
            while (Thread.activeCount()>20)
                return;
        }
    }
}

出現ArrayIndexOutOfBoundsException異常，原因：某個線程恰好刪除了元素i，使得當前線程無法訪問元素i。

Exception in thread "Thread-1109" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: Array index out of range: 1
 at java.util.Vector.remove(Vector.java:831)
 at VectorTest$2.run(VectorTest.java:28)
 at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

需要將對元素的get和remove構造成同步代碼塊：

synchronized (vector){
    for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
        System.out.println("獲取vector的第" + i + "個元素: " + vector.get(i));
    }
}
synchronized (vector){
    for (int i=0;i        System.out.println("刪除vector中的第" + i+"個元素");
        vector.remove(i);
    }
}

③ 相對線程安全

相對線程安全需要保證對該對象的單個操作是線程安全的，在必要的時候可以使用同步措施實現線程安全。
大部分的線程安全類都屬于相對線程安全，如Java容器中的Vector、HashTable、通過Collections.synchronizedXXX()方法包裝的集合。

④ 線程兼容

Java中大部分的類都是線程兼容的，通過添加同步措施，可以保證在多線程環境中安全使用這些類的對象。
如常見的ArrayList、HashTableMap都是線程兼容的。

⑤ 線程對立

線程對立是指：無法通過添加同步措施，實現多線程中的安全使用。
線程對立的常見操作有：Thread類的suspend()和resume()（已經被JDK聲明廢除），System.setIn()和System.setOut()等。

2. Java的枚舉類型

通過enum關鍵字修飾的數據類型，叫枚舉類型。

枚舉類型的每個元素都有自己的序號，通常從0開始編號。
可以通過values()方法遍歷枚舉類型，通過name()或者toString()獲取枚舉類型的名稱
通過ordinal()方法獲取枚舉類型中元素的序號

public class EnumData {
    public static void main(String[] args) {
        for (Family family : Family.values()) {
            System.out.println(family.name() + "：" + family.ordinal());
        }
    }
}

enum Family {
    GRADMOTHER, GRANDFATHER, MOTHER, FATHER, DAUGHTER, SON;
}

可以將枚舉類型看做普通的class，在里面定義final類型的成員變量，便可以為枚舉類型中的元素賦初值。

要想獲取枚舉類型中元素實際值，需要為成員變量添加getter方法。

雖然枚舉類型的元素有了自己的實際值，但是通過ordinal()方法獲取的元素序號不會發生改變。

public class EnumData {
    public static void main(String[] args) {
        for (Family family : Family.values()) {
            System.out.println(family.name() + "：實際值" + family.getValue() +
                    ", 實際序號" + family.ordinal());
        }
    }
}
enum Family {
    GRADMOTHER(3), GRANDFATHER(4), MOTHER(1), FATHER(2), DAUGHTER(5), SON(6);
    private final int value;
    Family(int value) {
        this.value = value;
    }
    public int getValue() {
        return value;
    }
}

3. Java線程安全的實現

① 互斥同步

互斥同步（Mutex Exclusion & Synchronization）是一種常見的并發正確性保障手段。

同步：多個線程并發訪問共享數據，保證共享數據同一時刻只被一個（或者一些，使用信號量）線程使用。
互斥：互斥是實現同步的一種手段，主要的互斥實現方式：臨界區（Critical Section）、互斥量（Mutex）、信號量（Semaphore）。

同步與互斥的關系：

互斥是原因，同步是結果。
同步是目的，互斥是方法。

Java中，最基本的實現互斥同步的手段是synchronized關鍵字，其次是JUC包中的ReentrantLock。

關于synchronized關鍵字：

編譯后的同步塊，開始處會添加monitorenter指令，結束處或異常處會添加monitorexit指令。
monitorenter和monitorexit指令中都包含一個引用類型的參數，分別指向加鎖或解鎖的對象。如果是同步代碼塊，則為synchronized括號中明確指定的對象；如果為普通方法，則為當前實例對象；如果為靜態方法，則為類對應的class對象。
JVM執行monitorenter指令時，要先嘗試獲取鎖：如果對象沒被鎖定或者當前線程已經擁有該對象的鎖，則鎖計數器加1；否則獲取鎖失敗，進入阻塞狀態，等待持有鎖的線程釋放鎖。
JVM執行monitorexit指令時，鎖計數器減1，直到計數器的值為0，鎖被釋放。（synchronized是支持重進入的）
由于阻塞或者喚醒線程都需要從用戶態（User Mode）切換到核心態（Kernel Mode），有時鎖只會被持有很短的時間，沒有必要進行狀態轉換。可以讓線程在阻塞之前先自旋等待一段時間，超時未獲取到鎖才進入阻塞狀態，這樣可以避免頻繁的切入到核心態。其實，就是后面自旋鎖的思想。

關于ReentrantLock：

與synchronized關鍵字相比，它是API層面的互斥鎖（lock()、unlock()、try...finally)。
與synchronized關鍵字相比，具有可中斷、支持公平與非公平性、可綁定多個Condition對象的高級功能。
由于synchronized關鍵字被優化，二者的性能差異并不是很大，如果不是想使用ReentrantLock的高級功能，優先考慮使用synchronized關鍵字。

② 非阻塞同步

（1）CAS概述

互斥同步最大的性能問題是線程的阻塞和喚醒，因此又叫阻塞同步。

互斥同步采用悲觀并發策略：

多線程并發訪問共享數據時，總是認為只要不加正確的同步措施，肯定會出現問題。
無論共享數據是否存在競爭，都會執行加鎖、用戶態和心態的切換、維護鎖計數器、檢查是否有被阻塞的線程需要喚醒等操作。

隨著硬件指令集的發展，我們可以采用基于沖突檢測的樂觀并發策略：

先進行操作，如果不存在沖突（即沒有其他線程爭用共享數據），則操作成功。
如果有其他線程爭用共享數據，產生了沖突，使用其他的補償措施。
常見的補償措施：不斷嘗試，直到成功為止，比如循環的CAS操作。

樂觀并發策略的許多實現都不需要將線程阻塞，這種同步操作叫做非阻塞同步。

非阻塞同步依靠的硬件指令集：前三條是比較久遠的指令，后兩條是現代處理器新增的。

測試和設置（Test and Set)
獲取并增加（Fetch and Increment）
交換（Swap）
比較并交換（Compare and Swap，即CAS）
加載鏈接/條件存儲（Load Linked/ Store Conditional，即LL/SC）

什么是CAS？

CAS，即Compare and Swap，需要借助處理器的cmpxchg指令完成。
CAS指令需要三個操作數：內存位置V（Java中可以簡單的理解為變量的內存地址）、舊的期待值A、新值B。
CAS指令執行時，當且僅當V符合舊的預期值A，處理器才用新值B更新V的值；否則，不執行更新。
不管是否更新V的值，都返回V的舊值，整個處理過程是一個原子操作。

原子操作：所謂的原子操作是指一個或一系列不可被中斷的操作。

Java中的CAS操作：

Java中的CAS操作由sun.misc.Unsafe中的compareAndSwapInt()、compareAndSwapLong()等幾個方法包裝提供。實際無法調用這些方法，需要采用反射機制才能使用。
在實際的開發過程中，一般通過其他的Java API調用它們，如JUC包原子類中的compareAndSet(expect, update) 、getAndIncrement()等方法。這些方法內部都使用了Unsafe類的CAS操作。
Unsafe類的CAS操作，通過JVM的即時編譯器編譯后，是一條與平臺相關的CAS指令。

除了偏向鎖，Java中其他鎖的實現方式都是用了循環的CAS操作。學習資料：Java進階視頻資源

（2）通過循環的CAS實現原子操作

通過++i或者i++可以實現計數器的自增，在多線程環境下，這樣使用是非線程安全的。

public class UnsafeCount {
    private int i = 0;
    private static final int THREADS_COUNT = 200;

    public static void main(String[] args) {
        Thread[] threads = new Thread[THREADS_COUNT];
        UnsafeCount counter = new UnsafeCount();
        for (int i = 0; i < THREADS_COUNT; i++) {
            threads[i] = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                        counter.count();
                    }
                }
            });
            threads[i].start();
        }
        while (Thread.activeCount() > 1) {
            Thread.yield();
        }
        System.out.println("多線程調用計數器i，運行后的值為: " + counter.i);
    }

    public void count() {
        i++;
    }
}

運行以上的代碼發現：當線程數量增加，每個線程調用計數器的次數變大時，每次運行的結果是錯誤且不固定的。

為了實現實在一個多線程環境下、線程安全的計數器，需要使用AtomicInteger的原子自增運算。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class SafeCount {
    private AtomicInteger atomic = new AtomicInteger(0);
    private static final int THREAD_COUNT = 200;
    public static void main(String[] args) {
        SafeCount counter = new SafeCount();
        Thread[] threads = new Thread[THREAD_COUNT];
        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
            threads[i] = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int j=0;j<10000;j++){
                        counter.count();
                    }
                }
            });
            threads[i].start();
        }
        while (Thread.activeCount()>1){
            Thread.yield();
        }
        System.out.println("多線程調用線程安全的計數器atomic："+counter.atomic);
    }
    public void count() {
        // 調用compareAnSet方法，使用循環的CAS操作實現計數器的原子自增
        for (; ; ) {
            int expect = atomic.get();
            int curVal = expect + 1;
            if (atomic.compareAndSet(expect, curVal)) {
                break;
            }
        }
    }
}

與非線程安全的計數器相比，線程安全的計數器有以下特點：

將int類型的計數器變量i，更換成具有CAS操作的AtomicInteger類型的計數器變量atomic。
進行自增運算時，通過循環的CAS操作實現atomic的原子自增。
先通過atomic.get()獲取expect的值，將expect加一得到新值，然后通過atomic.compareAndSet(expect, curVal)這一方法實現CAS操作。
其中compareAndSet()返回的true或者false，表示此次CAS操作是否成功。如果返回false，則不停地重復執行CAS操作，直到操作成功。

上面的count方法實現的AtomicInteger原子自增，可以只需要調用incrementAndGet()一個方法就能實現。

public void count() {
    // 調用incrementAndGet方法，實現AtomicInteger的原子自增
    atomic.incrementAndGet();
}

因為incrementAndGet()方法，封裝了通過循環的CAS操作實現AtomicInteger原子自增的代碼。

public final int incrementAndGet() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
    return var5;
}

（3）CAS操作存在的問題

1. ABA問題

在執行CAS操作更新共享變量的值時，如果一個值原來是A，被其他線程改成了B，然后又改回成了A。對于該CAS操作來說，它完全感受不到共享變量值的變化。這種操作漏洞稱為CAS操作的ABA問題。
解決該問題的思路是，為變量添加版本號，每次更新時版本號遞增。這種場景下就成了1A --> 2B --> 3A。CAS操作就能檢測到共享變量的ABA問題了。
JUC包中，也提供了相應的帶標記的原子引用類AtomicStampedReference來解決ABA問題。
AtomicStampedReference的compareAndSet()方法會首先比較期待的引用是否等于當前引用，然后檢查期待的標記是否等于當前標記。如果全部相等，則以原子操作的方式將新的引用和新的標記更新到當前值中。
但是AtomicStampedReference目前比較雞肋，如果想解決AB問題，可以使用鎖。

2. 循環時間過長，開銷大

循環的CAS操作如果長時間不成功，會給CPU帶來非常大的執行開銷。

3. 只能保證一個共享變量的原子操作

只對一個共享變量執行操作時，可以通過循環的CAS操作實現。如果是多個共享變量，循環的CAS操作無法保證操作的原子性。
取巧的操作：將多個共享變量合為一個變量進行CAS操作。JDK1.5開始，提供了AtomicReference類保證引用對象之間的原子性，可以將多個變量放在一個對象中進行CAS操作。

③ 無同步方案

同步只是保證共享數據爭用時正確性的一種手段，如果不存在共享數據，自然無須任何同步措施。

（1）棧封閉

多個線程訪問同一個方法的局部變量時，不會出現線程安全問題。

因為方法中的局部變量不會逃出該方法而被其他線程訪問，因此可以看做JVM棧中數據，屬于線程私有。

（2）可重入代碼（Reentrant Code）

可重入代碼又叫純代碼（Pure Code），可在代碼執行的任何時候中斷他它，轉去執行另外一段代碼（包括遞歸調用它本身），控制權返回后，原來的程序不會出現任何錯誤。

所有可重入的代碼都是線程安全，并非所有線程安全的代碼都是可重入的。

可重入代碼的共同特征：

不依賴存儲在堆上的數據和公用的系統資源
用到的狀態量都由參數中傳入
不調用非可重用的方法

如何判斷代碼是否具備可重入性？如果一個方法，它的返回結果是可預測的。只要輸入了相同的數據，就都能返回相同的結果，那它就滿足可重入性，當然也就是線程安全的。

（3）線程本地存儲（TLS）

線程本地存儲（Thread Local Storage）：

如果一段代碼中所需要的數據必須與其他代碼共享，那就看看這些共享數據的代碼是否能保證在同一個線程中執行。
如果能保證，我們就可以把共享數據的可見范圍限制在同一個線程內。
這樣，無須同步也能保證線程之間不出現數據爭用的問題。

TLS的重要應用實例：經典的Web交互模型中，一個請求對應一個服務器線程，使得Web服務器應用可以使用。學習資料：Java進階視頻資源

Java中沒有關鍵字可以將一個變量定義為線程所獨享，但是Java中創建了java.lang.ThreadLocal類提供線程本地存儲功能。

每一個線程內部都包含一個ThreadLocalMap對象，該對象將ThreadLocal對象的hashCode值作為key，即ThreadLocal.threadLocalHashCode，將本地線程變量作為value，構成鍵值對。
ThreadLocal對象是當前線程ThreadLocalMap對象的訪問入口，通過threadLocal.set()為本地線程添加獨享變量；通過threadLocal.get()獲取本地線程獨享變量的值。
ThreadLocal、ThreadLocalMap、Thread的關系：Thread對象中包含ThreadLocalMap對象，ThreadLocalMap對象中包含多個鍵值對，每個鍵值對的key是ThreadLocal對象的hashCode，value是本地線程變量。

ThreadLocal的編程實例：

想為某個線程添加本地線程變量，必須通過ThreadLocal對象在該線程中進行添加，構造出的鍵值對自動存入該線程的map中；
想要獲取某個線程的本地線程變量，必須在該線程中獲取，會自動查詢該線程的map，獲得ThreadLocal對象對應的value。
通過ThreadLocal對象重復為某個線程添加鍵值對，會覆蓋之前的value。

public class TLS {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadLocal threadLocal1 = new ThreadLocal<>();
        ThreadLocal threadLocal2 = new ThreadLocal<>();
        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                // 設置當前線程的本地線程變量
                threadLocal1.set("thread1");
                threadLocal2.set(1);
                System.out.println(threadLocal1.get() + ": " + threadLocal2.get());
                // 使用完畢后要刪除，避免內存泄露
                threadLocal1.remove();
                threadLocal2.remove();
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                threadLocal1.set("thread2");
                threadLocal2.set(2);
                System.out.println(threadLocal1.get() + ": " + threadLocal2.get());
                threadLocal1.remove();
                threadLocal2.remove();
            }
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
        // 沒有通過ThreadLocal為主線程添加過本地線程變量，獲取到的內容都是null
        System.out.println(threadLocal1.get()+": "+threadLocal2.get());
    }
}

對ThreadLocal的正確理解：

ThreadLocal適用于線程需要有自己的實例變量，該實例變量可以在多個方法中被使用，但是不能被其他線程共享的場景。
由于不存在數據共享，何談同步？因此ThreadLocal 從理論上講，不是用來解決多線程并發問題的。

ThreadLocal的實現：

最原始的想法：ThreadLocal維護線程與實例的映射。既然通過ThreadLocal對象為線程添加本地線程變量，那就將ThreadLocalMap放在ThreadLocal中。

原始想法存在的缺陷：多線程并發訪問ThreadLocal中的Map，需要添加鎖。這是， JDK 未采用該方案的一個原因。

優化后的方法：Thread維護ThreadLocal與實例的映射。Map是每個線程所私有，只能在當前線程通過ThreadLocal對象訪問自身的Map。不存在多線程并發訪問同一個Map的情況，也就不需要鎖。

優化后存在內存泄露的情況：JDK1.8中，ThreadLocalMap每個Entry對ThreadLocal對象是弱引用，對每個實例是強引用。當ThreadLocal對象被回收后，該Entry的鍵變成null，但Entry無法被移除。使得實例被Entry引用無法回收，造成內存泄露。