10種技巧！保證線程安全

前言

對于從事后端開發(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，希望對你有所幫助。

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，相對來說，更消耗代碼的性能。

其實(shí)，每個(gè)對象內(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。

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<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<>();

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

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<String, Object> 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，我們在操作集合數(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<User> 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。