聊聊保證線程安全的10個(gè)小技巧

前言

對(duì)于從事后端開發(fā)的同學(xué)來說，線程安全問題是我們每天都需要考慮的問題。

線程安全問題通俗的講：主要是在多線程的環(huán)境下，不同線程同時(shí)讀和寫公共資源（臨界資源），導(dǎo)致的數(shù)據(jù)異常問題。

比如：變量a=0，線程1給該變量+1，線程2也給該變量+1。此時(shí)，線程3獲取a的值有可能不是2，而是1。線程3這不就獲取了錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)？

線程安全問題會(huì)直接導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常，從而影響業(yè)務(wù)功能的正常使用，所以這個(gè)問題還是非常嚴(yán)重的。

那么，如何解決線程安全問題呢？

今天跟大家一起聊聊，保證線程安全的10個(gè)小技巧，希望對(duì)你有所幫助。

1. 無狀態(tài)

我們都知道只有多個(gè)線程訪問公共資源的時(shí)候，才可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)安全問題，那么如果我們沒有公共資源，是不是就沒有這個(gè)問題呢？

例如：

public?class?NoStatusService?{

????public?void?add(String?status)?{
????????System.out.println("add?status:"?+?status);
????}

????public?void?update(String?status)?{
????????System.out.println("update?status:"?+?status);
????}
}

這個(gè)例子中NoStatusService沒有定義公共資源，換句話說是無狀態(tài)的。

這種場景中，NoStatusService類肯定是線程安全的。

2. 不可變

如果多個(gè)線程訪問的公共資源是不可變的，也不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全性問題。

例如：

public?class?NoChangeService?{
????public?static?final?String?DEFAULT_NAME?=?"abc";

????public?void?add(String?status)?{
????????System.out.println(DEFAULT_NAME);
????}
}

DEFAULT_NAME被定義成了static final的常量，在多線程中環(huán)境中不會(huì)被修改，所以這種情況，也不會(huì)出現(xiàn)線程安全問題。

3. 無修改權(quán)限

有時(shí)候，我們定義了公共資源，但是該資源只暴露了讀取的權(quán)限，沒有暴露修改的權(quán)限，這樣也是線程安全的。

例如：

public?class?SafePublishService?{
????private?String?name;

????public?String?getName()?{
????????return?name;
????}

????public?void?add(String?status)?{
????????System.out.println("add?status:"?+?status);
????}
}

這個(gè)例子中，沒有對(duì)外暴露修改name字段的入口，所以不存在線程安全問題。

3. synchronized

使用JDK內(nèi)部提供的同步機(jī)制，這也是使用比較多的手段，分為：同步方法 和 同步代碼塊。

我們優(yōu)先使用同步代碼塊，因?yàn)橥椒椒ǖ牧６仁钦麄€(gè)方法，范圍太大，相對(duì)來說，更消耗代碼的性能。

其實(shí)，每個(gè)對(duì)象內(nèi)部都有一把鎖，只有搶到那把鎖的線程，才被允許進(jìn)入對(duì)應(yīng)的代碼塊執(zhí)行相應(yīng)的代碼。

當(dāng)代碼塊執(zhí)行完之后，JVM底層會(huì)自動(dòng)釋放那把鎖。

例如：

public?class?SyncService?{
????private?int?age?=?1;
????private?Object?object?=?new?Object();

????//同步方法
????public?synchronized?void?add(int?i)?{
????????age?=?age?+?i;????????
????????System.out.println("age:"?+?age);
????}

????
????public?void?update(int?i)?{
????????//同步代碼塊，對(duì)象鎖
????????synchronized?(object)?{
????????????age?=?age?+?i;?????????????????????
????????????System.out.println("age:"?+?age);
????????}????
?????}
?????
?????public?void?update(int?i)?{
????????//同步代碼塊，類鎖
????????synchronized?(SyncService.class)?{
????????????age?=?age?+?i;?????????????????????
????????????System.out.println("age:"?+?age);
????????}????
?????}
}

4. Lock

除了使用synchronized關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)同步功能之外，JDK還提供了Lock接口，這種顯示鎖的方式。

通常我們會(huì)使用Lock接口的實(shí)現(xiàn)類：ReentrantLock，它包含了：公平鎖、非公平鎖、可重入鎖、讀寫鎖 等更多更強(qiáng)大的功能。

例如：

public?class?LockService?{
????private?ReentrantLock?reentrantLock?=?new?ReentrantLock();
????public?int?age?=?1;
????
????public?void?add(int?i)?{
????????try?{
????????????reentrantLock.lock();
????????????age?=?age?+?i;???????????
????????????System.out.println("age:"?+?age);
????????}?finally?{
????????????reentrantLock.unlock();????????
????????}????
???}
}

但如果使用ReentrantLock，它也帶來了有個(gè)小問題就是：需要在finally代碼塊中手動(dòng)釋放鎖。

不過說句實(shí)話，在使用Lock顯示鎖的方式，解決線程安全問題，給開發(fā)人員提供了更多的靈活性。

5. 分布式鎖

如果是在單機(jī)的情況下，使用synchronized和Lock保證線程安全是沒有問題的。

但如果在分布式的環(huán)境中，即某個(gè)應(yīng)用如果部署了多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)使用可以synchronized和Lock保證線程安全，但不同的節(jié)點(diǎn)之間，沒法保證線程安全。

這就需要使用：分布式鎖了。

分布式鎖有很多種，比如：數(shù)據(jù)庫分布式鎖，zookeeper分布式鎖，redis分布式鎖等。

其中我個(gè)人更推薦使用redis分布式鎖，其效率相對(duì)來說更高一些。

使用redis分布式鎖的偽代碼如下：

try{
??String?result?=?jedis.set(lockKey,?requestId,?"NX",?"PX",?expireTime);
??if?("OK".equals(result))?{
??????return?true;
??}
??return?false;
}?finally?{
????unlock(lockKey);
}??

同樣需要在finally代碼塊中釋放鎖。

如果你對(duì)redis分布式鎖的用法和常見的坑，比較感興趣的話，可以看看我的另一篇文章《聊聊redis分布式鎖的8大坑》，里面有更詳細(xì)的介紹。

6. volatile

有時(shí)候，我們有這樣的需求：如果在多個(gè)線程中，有任意一個(gè)線程，把某個(gè)開關(guān)的狀態(tài)設(shè)置為false，則整個(gè)功能停止。

簡單的需求分析之后發(fā)現(xiàn)：只要求多個(gè)線程間的可見性，不要求原子性。

如果一個(gè)線程修改了狀態(tài)，其他的所有線程都能獲取到最新的狀態(tài)值。

這樣一分析這就好辦了，使用volatile就能快速滿足需求。

例如：

@Service
public?CanalService?{
????private?volatile?boolean?running?=?false;
????private?Thread?thread;

????@Autowired
????private?CanalConnector?canalConnector;
????
????public?void?handle()?{
????????//連接canal
????????while(running)?{
???????????//業(yè)務(wù)處理
????????}
????}
????
????public?void?start()?{
???????thread?=?new?Thread(this::handle,?"name");
???????running?=?true;
???????thread.start();
????}
????
????public?void?stop()?{
???????if(!running)?{
??????????return;
???????}
???????running?=?false;
????}
}

需要特別注意的地方是：volatile不能用于計(jì)數(shù)和統(tǒng)計(jì)等業(yè)務(wù)場景。因?yàn)?code style="font-size: 14px;word-wrap: break-word;padding: 2px 4px;border-radius: 4px;margin: 0 2px;background-color: rgba(27,31,35,.05);font-family: Operator Mono, Consolas, Monaco, Menlo, monospace;word-break: break-all;color: #28ca71;">volatile不能保證操作的原子性，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常。

7. ThreadLocal

除了上面幾種解決思路之外，JDK還提供了另外一種用空間換時(shí)間的新思路：ThreadLocal。

當(dāng)然ThreadLocal并不能完全取代鎖，特別是在一些秒殺更新庫存中，必須使用鎖。

ThreadLocal的核心思想是：共享變量在每個(gè)線程都有一個(gè)副本，每個(gè)線程操作的都是自己的副本，對(duì)另外的線程沒有影響。

溫馨提醒一下：我們平常在使用ThreadLocal時(shí)，如果使用完之后，一定要記得在finally代碼塊中，調(diào)用它的remove方法清空數(shù)據(jù)，不然可能會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存泄露問題。

例如：

public?class?ThreadLocalService?{
????private?ThreadLocal?threadLocal?=?new?ThreadLocal<>();

????public?void?add(int?i)?{
????????Integer?integer?=?threadLocal.get();
????????threadLocal.set(integer?==?null???0?:?integer?+?i);
????}
}

如果對(duì)ThreadLocal感興趣的小伙伴，可以看看我的另一篇文章《ThreadLocal奪命11連問》，里面有對(duì)ThreadLocal的原理、用法和坑，有非常詳細(xì)的介紹。

8. 線程安全集合

有時(shí)候，我們需要使用的公共資源放在某個(gè)集合當(dāng)中，比如：ArrayList、HashMap、HashSet等。

如果在多線程環(huán)境中，有線程往這些集合中寫數(shù)據(jù)，另外的線程從集合中讀數(shù)據(jù)，就可能會(huì)出現(xiàn)線程安全問題。

為了解決集合的線程安全問題，JDK專門給我們提供了能夠保證線程安全的集合。

比如：CopyOnWriteArrayList、ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArraySet、ArrayBlockingQueue等等。

例如：

public?class?HashMapTest?{

????private?static?ConcurrentHashMap?hashMap?=?new?ConcurrentHashMap<>();

????public?static?void?main(String[]?args)?{

????????new?Thread(new?Runnable()?{
????????????@Override
????????????public?void?run()?{
????????????????hashMap.put("key1",?"value1");
????????????}
????????}).start();

????????new?Thread(new?Runnable()?{
????????????@Override
????????????public?void?run()?{
????????????????hashMap.put("key2",?"value2");
????????????}
????????}).start();

????????try?{
????????????Thread.sleep(50);
????????}?catch?(InterruptedException?e)?{
????????????e.printStackTrace();
????????}
????????System.out.println(hashMap);
????}
}

在JDK底層，或者spring框架當(dāng)中，使用ConcurrentHashMap保存加載配置參數(shù)的場景非常多。

比較出名的是spring的refresh方法中，會(huì)讀取配置文件，把配置放到很多的ConcurrentHashMap緩存起來。

9. CAS

JDK除了使用鎖的機(jī)制解決多線程情況下數(shù)據(jù)安全問題之外，還提供了CAS機(jī)制。

這種機(jī)制是使用CPU中比較和交換指令的原子性，JDK里面是通過Unsafe類實(shí)現(xiàn)的。

CAS內(nèi)部包含了四個(gè)值：舊數(shù)據(jù)、期望數(shù)據(jù)、新數(shù)據(jù) 和 地址，比較舊數(shù)據(jù) 和 期望的數(shù)據(jù)，如果一樣的話，就把舊數(shù)據(jù)改成新數(shù)據(jù)。如果不一樣的話，當(dāng)前線程不斷自旋，一直到成功為止。

不過，使用CAS保證線程安全，可能會(huì)出現(xiàn)ABA問題，需要使用AtomicStampedReference增加版本號(hào)解決。

其實(shí)，實(shí)際工作中很少直接使用Unsafe類的，一般用atomic包下面的類即可。

public?class?AtomicService?{
????private?AtomicInteger?atomicInteger?=?new?AtomicInteger();
????
????public?int?add(int?i)?{
????????return?atomicInteger.getAndAdd(i);
????}
}

10. 數(shù)據(jù)隔離

有時(shí)候，我們?cè)诓僮骷蠑?shù)據(jù)時(shí)，可以通過數(shù)據(jù)隔離，來保證線程安全。

例如：

public?class?ThreadPoolTest?{

????public?static?void?main(String[]?args)?{

??????ExecutorService?threadPool?=?new?ThreadPoolExecutor(8,?//corePoolSize線程池中核心線程數(shù)
??????10,?//maximumPoolSize?線程池中最大線程數(shù)
??????60,?//線程池中線程的最大空閑時(shí)間，超過這個(gè)時(shí)間空閑線程將被回收
??????TimeUnit.SECONDS,//時(shí)間單位
??????new?ArrayBlockingQueue(500),?//隊(duì)列
??????new?ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());?//拒絕策略

??????List?userList?=?Lists.newArrayList(
??????new?User(1L,?"蘇三",?18,?"成都"),
??????new?User(2L,?"蘇三說技術(shù)",?20,?"四川"),
??????new?User(3L,?"技術(shù)",?25,?"云南"));

??????for?(User?user?:?userList)?{
??????????threadPool.submit(new?Work(user));
??????}

??????try?{
??????????Thread.sleep(100);
??????}?catch?(InterruptedException?e)?{
??????????e.printStackTrace();
??????}
??????System.out.println(userList);
??}

????static?class?Work?implements?Runnable?{
????????private?User?user;

????????public?Work(User?user)?{
????????????this.user?=?user;
????????}

????????@Override
????????public?void?run()?{
????????????user.setName(user.getName()?+?"測試");
????????}
????}
}

這個(gè)例子中，使用線程池處理用戶信息。

每個(gè)用戶只被線程池中的一個(gè)線程處理，不存在多個(gè)線程同時(shí)處理一個(gè)用戶的情況。所以這種人為的數(shù)據(jù)隔離機(jī)制，也能保證線程安全。

數(shù)據(jù)隔離還有另外一種場景：kafka生產(chǎn)者把同一個(gè)訂單的消息，發(fā)送到同一個(gè)partion中。每一個(gè)partion都部署一個(gè)消費(fèi)者，在kafka消費(fèi)者中，使用單線程接收消息，并且做業(yè)務(wù)處理。

這種場景下，從整體上看，不同的partion是用多線程處理數(shù)據(jù)的，但同一個(gè)partion則是用單線程處理的，所以也能解決線程安全問題。

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