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聊聊保證執行緒安全的10個小技巧

2022-06-09 06:02:28

前言

對於從事後端開發的同學來說，執行緒安全問題是我們每天都需要考慮的問題。

執行緒安全問題通俗的講：主要是在多執行緒的環境下，不同執行緒同時讀和寫公共資源（臨界資源），導致的資料異常問題。

比如：變數a=0，執行緒1給該變數+1，執行緒2也給該變數+1。此時，執行緒3獲取a的值有可能不是2，而是1。執行緒3這不就獲取了錯誤的資料？

執行緒安全問題會直接導致資料異常，從而影響業務功能的正常使用，所以這個問題還是非常嚴重的。

那麼，如何解決執行緒安全問題呢？

今天跟大家一起聊聊，保證執行緒安全的10個小技巧，希望對你有所幫助。

1. 無狀態

我們都知道只有多個執行緒存取公共資源的時候，才可能出現資料安全問題，那麼如果我們沒有公共資源，是不是就沒有這個問題呢？

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);
    }
}

這個例子中NoStatusService沒有定義公共資源，換句話說是無狀態的。

這種場景中，NoStatusService類肯定是執行緒安全的。

2. 不可變

如果多個執行緒存取的公共資源是不可變的，也不會出現資料的安全性問題。

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的常數，在多執行緒中環境中不會被修改，所以這種情況，也不會出現執行緒安全問題。

3. 無修改許可權

有時候，我們定義了公共資源，但是該資源只暴露了讀取的許可權，沒有暴露修改的許可權，這樣也是執行緒安全的。

例如：

public class SafePublishService {
    private String name;

    public String getName() {
        return name;
    }

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

這個例子中，沒有對外暴露修改name欄位的入口，所以不存線上程安全問題。

3. synchronized

使用JDK內部提供的同步機制，這也是使用比較多的手段，分為：同步方法 和 同步程式碼塊。

我們優先使用同步程式碼塊，因為同步方法的粒度是整個方法，範圍太大，相對來說，更消耗程式碼的效能。

其實，每個物件內部都有一把鎖，只有搶到那把鎖的執行緒，才被允許進入對應的程式碼塊執行相應的程式碼。

當程式碼塊執行完之後，JVM底層會自動釋放那把鎖。

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) {
        //同步程式碼塊，物件鎖
        synchronized (object) {
            age = age + i;                     
            System.out.println("age:" + age);
        }    
     }
     
     public void update(int i) {
        //同步程式碼塊，類鎖
        synchronized (SyncService.class) {
            age = age + i;                     
            System.out.println("age:" + age);
        }    
     }
}

4. Lock

除了使用synchronized關鍵字實現同步功能之外，JDK還提供了Lock介面，這種顯示鎖的方式。

通常我們會使用Lock介面的實現類：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，它也帶來了有個小問題就是：需要在finally程式碼塊中手動釋放鎖。

不過說句實話，在使用Lock顯示鎖的方式，解決執行緒安全問題，給開發人員提供了更多的靈活性。

5. 分散式鎖

如果是在單機的情況下，使用synchronized和Lock保證執行緒安全是沒有問題的。

但如果在分散式的環境中，即某個應用如果部署了多個節點，每一個節點使用可以synchronized和Lock保證執行緒安全，但不同的節點之間，沒法保證執行緒安全。

這就需要使用：分散式鎖了。

分散式鎖有很多種，比如：資料庫分散式鎖，zookeeper分散式鎖，redis分散式鎖等。

其中我個人更推薦使用redis分散式鎖，其效率相對來說更高一些。

使用redis分散式鎖的虛擬碼如下：

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程式碼塊中釋放鎖。

如果你對redis分散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分散式鎖的8大坑》，裡面有更詳細的介紹。

6. volatile

有時候，我們有這樣的需求：如果在多個執行緒中，有任意一個執行緒，把某個開關的狀態設定為false，則整個功能停止。

簡單的需求分析之後發現：只要求多個執行緒間的可見性，不要求原子性。

如果一個執行緒修改了狀態，其他的所有執行緒都能獲取到最新的狀態值。

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() {
        //連線canal
        while(running) {
           //業務處理
        }
    }
    
    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不能用於計數和統計等業務場景。因為volatile不能保證操作的原子性，可能會導致資料異常。

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間的新思路：ThreadLocal。

當然ThreadLocal並不能完全取代鎖，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：共用變數在每個執行緒都有一個副本，每個執行緒操作的都是自己的副本，對另外的執行緒沒有影響。

溫馨提醒一下：我們平常在使用ThreadLocal時，如果使用完之後，一定要記得在finally程式碼塊中，呼叫它的remove方法清空資料，不然可能會出現記憶體洩露問題。

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);
    }
}

如果對ThreadLocal感興趣的小夥伴，可以看看我的另一篇文章《ThreadLocal奪命11連問》，裡面有對ThreadLocal的原理、用法和坑，有非常詳細的介紹。

8. 執行緒安全集合

有時候，我們需要使用的公共資源放在某個集合當中，比如：ArrayList、HashMap、HashSet等。

如果在多執行緒環境中，有執行緒往這些集合中寫資料，另外的執行緒從集合中讀資料，就可能會出現執行緒安全問題。

為了解決集合的執行緒安全問題，JDK專門給我們提供了能夠保證執行緒安全的集合。

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框架當中，使用ConcurrentHashMap儲存載入設定引數的場景非常多。

比較出名的是spring的refresh方法中，會讀取組態檔，把設定放到很多的ConcurrentHashMap快取起來。

9. CAS

JDK除了使用鎖的機制解決多執行緒情況下資料安全問題之外，還提供了CAS機制。

這種機制是使用CPU中比較和交換指令的原子性，JDK裡面是通過Unsafe類實現的。

CAS內部包含了四個值：舊資料、期望資料、新資料 和 地址，比較舊資料 和 期望的資料，如果一樣的話，就把舊資料改成新資料。如果不一樣的話，當前執行緒不斷自旋，一直到成功為止。

不過，使用CAS保證執行緒安全，可能會出現ABA問題，需要使用AtomicStampedReference增加版本號解決。

其實，實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. 資料隔離

有時候，我們在操作集合資料時，可以通過資料隔離，來保證執行緒安全。

例如：

public class ThreadPoolTest {

    public static void main(String[] args) {

      ExecutorService threadPool = new ThreadPoolExecutor(8, //corePoolSize執行緒池中核心執行緒數
      10, //maximumPoolSize 執行緒池中最大執行緒數
      60, //執行緒池中執行緒的最大空閒時間，超過這個時間空閒執行緒將被回收
      TimeUnit.SECONDS,//時間單位
      new ArrayBlockingQueue(500), //佇列
      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", 20, "四川"),
      new User(3L, "技術", 25, "雲南"));

      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");
        }
    }
}

這個例子中，使用執行緒池處理使用者資訊。

每個使用者只被執行緒池中的一個執行緒處理，不存在多個執行緒同時處理一個使用者的情況。所以這種人為的資料隔離機制，也能保證執行緒安全。

資料隔離還有另外一種場景：kafka生產者把同一個訂單的訊息，傳送到同一個partion中。每一個partion都部署一個消費者，在kafka消費者中，使用單執行緒接收訊息，並且做業務處理。

這種場景下，從整體上看，不同的partion是用多執行緒處理資料的，但同一個partion則是用單執行緒處理的，所以也能解決執行緒安全問題。

如果你對kafka的使用比較感興趣，可以看看我的另一篇乾貨文章《我用kafka兩年踩過的一些非比尋常的坑》。

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