Java中如何保证线程安全性 - 保证线程安全的11个小技巧 - 《Java 笔记》

前言
1、无状态
2、不可变
3、无修改权限
4、synchronized
5、Lock
6、分布式锁
7、volatile
8、ThreadLocal
9、线程安全集合
10、CAS
11、数据隔离

Java线程安全

前言

对于从事后端开发的同学来说，线程安全问题是每天都需要考虑的问题。
线程安全问题通俗的讲：主要是在多线程的环境下，不同线程同时读和写公共资源（临界资源），导致的数据异常问题。
比如：变量a=0，线程1给该变量+1，线程2也给该变量+1。此时，线程3获取a的值有可能不是2，而是1。线程3这不就获取了错误的数据？
线程安全问题会直接导致数据异常，从而影响业务功能的正常使用，所以这个问题还是非常严重的。
那么，如何解决线程安全问题呢？来看看保证线程安全的10个小技巧。
保证线程安全的11个小技巧 - 图1

1、无状态

都知道只有多个线程访问公共资源的时候，才可能出现数据安全问题，那么如果没有公共资源，是不是就没有这个问题呢？
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);
    }
}

这个例子中NoStatusService没有定义公共资源，换句话说是无状态的。
这种场景中，NoStatusService类肯定是线程安全的。

2、不可变

如果多个线程访问的公共资源是不可变的，也不会出现数据的安全性问题。
例如：

public class NoChangeService {
    public static final String DEFAULT_NAME = "abc";
    public void add(String status) {
        System.out.println(DEFAULT_NAME);
    }
}

DEFAULT_NAME被定义成了static final的常量，在多线程中环境中不会被修改，所以这种情况，也不会出现线程安全问题。

3、无修改权限

有时候，定义了公共资源，但是该资源只暴露了读取的权限，没有暴露修改的权限，这样也是线程安全的。
例如：

public class SafePublishService {
    private String name;
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void add(String status) {
        System.out.println("add status:" + status);
    }
}

这个例子中，没有对外暴露修改name字段的入口，所以不存在线程安全问题。

4、`synchronized`

使用JDK内部提供的同步机制，这也是使用比较多的手段，分为：同步方法和同步代码块。
优先使用同步代码块，因为同步方法的粒度是整个方法，范围太大，相对来说，更消耗代码的性能。
其实，每个对象内部都有一把锁，只有抢到那把锁的线程，才被允许进入对应的代码块执行相应的代码。
当代码块执行完之后，JVM底层会自动释放那把锁。
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) {
        //同步代码块，对象锁
        synchronized (object) {
            age = age + i;                     
            System.out.println("age:" + age);
        }    
     }
     public void update(int i) {
        //同步代码块，类锁
        synchronized (SyncService.class) {
            age = age + i;                     
            System.out.println("age:" + age);
        }    
     }
}

5、Lock

除了使用synchronized关键字实现同步功能之外，JDK还提供了Lock接口，这种显示锁的方式。
通常会使用Lock接口的实现类：ReentrantLock，它包含了：公平锁、非公平锁、可重入锁、读写锁等更多更强大的功能。
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，它也带来了有个小问题就是：需要在finally代码块中手动释放锁。
不过说句实话，在使用Lock显示锁的方式，解决线程安全问题，给开发人员提供了更多的灵活性。

6、分布式锁

如果是在单机的情况下，使用synchronized和Lock保证线程安全是没有问题的。
但如果在分布式的环境中，即某个应用如果部署了多个节点，每一个节点使用可以synchronized和Lock保证线程安全，但不同的节点之间，没法保证线程安全。
这就需要使用：分布式锁了。
分布式锁有很多种，比如：数据库分布式锁，zookeeper分布式锁，redis分布式锁等。
其中个人更推荐使用redis分布式锁，其效率相对来说更高一些。
使用redis分布式锁的伪代码如下：

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

同样需要在finally代码块中释放锁。

7、`volatile`

有时候，有这样的需求：如果在多个线程中，有任意一个线程，把某个开关的状态设置为false，则整个功能停止。
简单的需求分析之后发现：只要求多个线程间的可见性，不要求原子性。
如果一个线程修改了状态，其他的所有线程都能获取到最新的状态值。
这样一分析这就好办了，使用volatile就能快速满足需求。
例如：

@Service
public CanalService {
    private volatile boolean running = false;
    private Thread thread;
    @Autowired
    private CanalConnector canalConnector;
    public void handle() {
        //连接canal
        while(running) {
           //业务处理
        }
    }
    public void start() {
       thread = new Thread(this::handle, "name");
       running = true;
       thread.start();
    }
    public void stop() {
       if(!running) {
          return;
       }
       running = false;
    }
}

需要特别注意的地方是：volatile不能用于计数和统计等业务场景。因为volatile不能保证操作的原子性，可能会导致数据异常。

8、`ThreadLocal`

除了上面几种解决思路之外，JDK还提供了另外一种用空间换时间的新思路：ThreadLocal。
当然ThreadLocal并不能完全取代锁，特别是在一些秒杀更新库存中，必须使用锁。
ThreadLocal的核心思想是：共享变量在每个线程都有一个副本，每个线程操作的都是自己的副本，对另外的线程没有影响。
温馨提醒一下：平常在使用ThreadLocal时，如果使用完之后，一定要记得在finally代码块中，调用它的remove方法清空数据，不然可能会出现内存泄露问题。
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);
    }
}

9、线程安全集合

有时候，需要使用的公共资源放在某个集合当中，比如：ArrayList、HashMap、HashSet等。
如果在多线程环境中，有线程往这些集合中写数据，另外的线程从集合中读数据，就可能会出现线程安全问题。
为了解决集合的线程安全问题，JDK专门提供了能够保证线程安全的集合。
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底层，或者spring框架当中，使用ConcurrentHashMap保存加载配置参数的场景非常多。
比较出名的是spring的refresh方法中，会读取配置文件，把配置放到很多的ConcurrentHashMap缓存起来。

10、CAS

JDK除了使用锁的机制解决多线程情况下数据安全问题之外，还提供了CAS机制。
这种机制是使用CPU中比较和交换指令的原子性，JDK里面是通过Unsafe类实现的。
CAS内部包含了四个值：旧数据、期望数据、新数据和地址，比较旧数据和期望的数据，如果一样的话，就把旧数据改成新数据。如果不一样的话，当前线程不断自旋，一直到成功为止。
不过，使用CAS保证线程安全，可能会出现ABA问题，需要使用AtomicStampedReference增加版本号解决。
其实，实际工作中很少直接使用Unsafe类的，一般用atomic包下面的类即可。

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

11、数据隔离

有时候在操作集合数据时，可以通过数据隔离，来保证线程安全。
例如：

public class ThreadPoolTest {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService threadPool = new ThreadPoolExecutor(8, //corePoolSize线程池中核心线程数
                                                            10, //maximumPoolSize 线程池中最大线程数
                                                            60, //线程池中线程的最大空闲时间，超过这个时间空闲线程将被回收
                                                            TimeUnit.SECONDS,//时间单位
                                                            new ArrayBlockingQueue(500), //队列
                                                            new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy()); //拒绝策略
        List<User> userList = Lists.newArrayList(
            new User(1L, "Hello", 18, "成都"),
            new User(2L, "World", 20, "四川"),
            new User(3L, "Fcant", 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() + "测试");
        }
    }
}

这个例子中，使用线程池处理用户信息。
每个用户只被线程池中的一个线程处理，不存在多个线程同时处理一个用户的情况。所以这种人为的数据隔离机制，也能保证线程安全。
数据隔离还有另外一种场景：kafka生产者把同一个订单的消息，发送到同一个partion中。每一个partion都部署一个消费者，在kafka消费者中，使用单线程接收消息，并且做业务处理。
这种场景下，从整体上看，不同的partion是用多线程处理数据的，但同一个partion则是用单线程处理的，所以也能解决线程安全问题。

保证线程安全的11个小技巧

前言