何為線程安全的類？

一般來說，我們要設(shè)計一個線程安全的類，要從三個方面去考慮：

• 構(gòu)成狀態(tài)的所有變量。比如某個域是集合類型，則集合元素也構(gòu)成該實例的狀態(tài)。
• 某些操作所隱含的不變性條件。
• 變量的所有權(quán)，或稱它是否會被發(fā)布。

基于條件的同步策略

不變性條件取決于類的語義，比如說計數(shù)器類的 counter 屬性被設(shè)置為 Integer 類型，雖然其域值在 Integer.MIN_VALUE 到 Integer.MAX_VALUE 之間，但是它的值必須非負(fù)。即：隨著計數(shù)的進(jìn)行，conuter >= 0 總是成立。

除了不變性條件之外，一些操作還需要通過后驗條件，以此判斷狀態(tài)的更改是否有效。比如一個計數(shù)器計到 17 時，它的下一個狀態(tài)只可能是 18。這實際涉及到了對原先狀態(tài)的 "讀 - 改 - 寫" 三個連續(xù)的步驟，典型的如自增 ++ 等。"無記憶性" 的狀態(tài)是不需要后驗條件的，比如每隔一段時間測量的溫度值。

先驗條件可能是更加關(guān)注的問題，因為 "先判斷后執(zhí)行" 的邏輯到處存在。比如說對一個列表執(zhí)行 remove 操作時，首先需要保證列表是非空的，否則就應(yīng)該拋出異常。

在并發(fā)環(huán)境下，這些條件均可能會隨著其它線程的修改而出現(xiàn)失真。

狀態(tài)發(fā)布與所有權(quán)

在許多情況下，所有權(quán)和封裝性是相互關(guān)聯(lián)的。比如對象通過 private 關(guān)鍵字封裝了它的狀態(tài)，即表明實例獨占對該狀態(tài)的所有權(quán) ( 所有權(quán)意味控制權(quán) )。反之，則稱該狀態(tài)被發(fā)布。被發(fā)布的實例狀態(tài)可能會被到處修改，因此它們在多線程環(huán)境中也存在風(fēng)險。

容器類通常和元素表現(xiàn)出 "所有權(quán)" 分離的形式。比如說一個聲明為 final 的列表，客戶端雖然無法修改其本身的引用，但可以自由地修改其元素的狀態(tài)。這些事實上被發(fā)布的元素必須被安全地共享。

這要求元素：

• 自身是事實不可變的實例。
• 線程安全的實例。
• 被鎖保護(hù)。

實例封閉

大多數(shù)對象都是組合對象，或者說這些狀態(tài)也是對象。對組合類的線程安全性分析大致分為兩類：

• 如果這些狀態(tài)線程不安全，那應(yīng)該如何安全地使用組合類？
• 即使所有的狀態(tài)都線程安全，是否可以推斷組合類也線程安全？或者說組合類是否還需要額外的同步策略？

對于第一個問題，見下方的 Bank 代碼，它模擬了一個轉(zhuǎn)賬業(yè)務(wù)：

class Bank {
    private Integer amount_A = 100;
    private Integer amount_B = 50;
    public synchronized void transaction(Integer amount){
        var log_0 = amount_A + amount_B;
        amount_A += amount;
        amount_B -= amount;
        var log_1 = amount_A + amount_B;
        assert log_0 == log_1;
    }
}

雖然 amount_A 和 amount_B 本身作為普通的 Integer 類型并不是線程安全的，但是它們具備線程安全的語義：

• 它們是 private 成員，因此不存在被意外共享的問題。
• 它們唯一與外界交互的 transaction() 方法被鎖保護(hù)。

也可以理解成：Bank 是為兩個 Integer 狀態(tài)提供線程安全性的容器。在此處，同步策略由 synchronized 內(nèi)置鎖實現(xiàn)。

編譯器會在 synchronized 的代碼區(qū)前后安插 monitorenter 和 monitorexit 字節(jié)碼表示進(jìn)入 / 退出同步代碼塊。Java 的內(nèi)置鎖也稱之監(jiān)視器鎖，或者監(jiān)視器。

至于第二個問題，答案是：看情況，具體地說是分析是否存在不變性條件，在這里，它指代在轉(zhuǎn)賬過程當(dāng)中，a 和 b 兩個賬戶的余額之和應(yīng)當(dāng)不變。如果使用原子類型保護(hù) amount_A 和 amount_B 的狀態(tài)，那么是否就可以撤下 transaction() 方法上的內(nèi)置鎖了？

class UnsafeBank {
    private final AtomicInteger amount_A = new AtomicInteger(100);
    private final AtomicInteger amount_B = new AtomicInteger(50);
    public void transaction(Integer amount){
        amount_A.set(amount_A.get() - amount);
        amount_B.set(amount_B.get() + amount);
    }
}

transaction() 方法現(xiàn)在失去了鎖的保護(hù)。這樣，某線程 A 在執(zhí)行交易的過程中，另一個線程 B 也可能會 "趁機" 修改 amount_B 的賬目 —— 這個時機發(fā)生在線程 A 執(zhí)行 amount_B.get() 之后，但在 amount_B.set() 之前。最終，B 線程的修改將被覆蓋而丟失，在它看來，盡管兩個狀態(tài)均是原子變量，但不變性條件仍然被破壞了。

由此得到一個結(jié)論 —— 就算所有的可變狀態(tài)都是原子的，我們可能仍需要在封裝類的層面進(jìn)一步考慮同步策略，最簡單直接的就是找出封裝類內(nèi)的所有復(fù)合操作：

• 對同一個變量 ( 反復(fù) ) 讀-改-寫。
• 修改受某個不變性條件約束的多個變量。

正確地拓展同步策略

在大部分情況下，我們不能通過直接修改類源碼的形式補充同步策略。比如，普通的 List<T> 接口不保證底下的各種實現(xiàn)是線程安全的，但我們可以通過類似代理的方式將線程安全委托給第三方。

比如：

class ThreadSafeArrayList {
    private final List<Integer> list;
    public ThreadSafeArrayList(List<Integer> l){list =  l;}
    
    // 添加新的方法
    public synchronized boolean putIfAbsent(Integer a){
        if(list.contains(a)) {
            list.add(a);
            return true;
        }
        return false;
    }
    // 代理 add 方法，其它略
    public synchronized boolean add(Integer a) {
        return list.add(a);
    }

    // ...
}

事實上，Java 類庫已經(jīng)有了對應(yīng)的線程安全類。通常，我們應(yīng)當(dāng)優(yōu)先重用這些已有的類。在下方的代碼塊中，我們使用 Collection.synchronizedList 工廠方法創(chuàng)建一個線程安全的 list 對象，這樣似乎就只需要為新拓展的 putIfAbsent() 方法加鎖了。

class ThreadUnSafeArrayList {
    private final List<Integer> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());

    // 添加新的方法
    public synchronized boolean putIfAbsent(Integer a){
        if(list.contains(a)) {
            list.add(a);
            return true;
        }
        return false;
    }
    
    public boolean add(Integer a){return list.add(a);}
    //...
}

但是，上述的代碼是錯誤的。為什么？問題在于，我們使用了錯誤的鎖進(jìn)行了同步。當(dāng)調(diào)用的是 add 方法時，使用的是列表對象的內(nèi)置鎖；但調(diào)用 putIfAbsent 方法時，我們使用的卻是 ThreadUnsafeArrayList 對象的內(nèi)置鎖。這意味著 putIfAbsent 方法對于其它的方法來說不是原子的，因此無法確保一個線程執(zhí)行 putIfAbsent 方法時，其它線程是否會通過調(diào)用其它方法修改列表。

因此，想要讓這個方法正確執(zhí)行，我們必須要在正確的地方上鎖。

class ThreadUnSafeArrayList {
    private final List<Integer> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
    public boolean putIfAbsent(Integer a){
        synchronized (list){
            if(list.contains(a)) {
                list.add(a);
                return true;
            }
            return false;
        }
    }
}

同步容器

同步容器是安全的，但在某些情況下仍然需要客戶端加鎖。

常見的操作如：

• 迭代；
• 跳轉(zhuǎn) ( 比如，尋找下一個元素 )；
• 條件運算，如 "若沒有則 XX 操作" ( 一種常見的復(fù)合操作 )；

復(fù)合操作不受同步容器保護(hù)

這里有兩個線程 T1，T2 分別會以不可預(yù)測的次序執(zhí)行兩個代碼塊，它們負(fù)責(zé)刪除和讀取 list 中的末尾元素。我們在這里使用的是庫中的同步列表，因此可以確保 size()，remove()，get() 方法全部是原子的。但是，當(dāng)程序以 x1，y1，x2，y2 的操作次序執(zhí)行時，主程序最終仍然會拋出IndexOutOfBoundsException 異常。

class DemoOfConcurrentFail {
    public final List<Integer> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());

    {
        Collections.addAll(list, 1, 2, 3, 4, 5);
    }
    public static void main(String[] args) {
        var testList = new DemoOfConcurrentFail().list;
        Runnable t1 = () -> {
            var last = testList.size() - 1;  // x1
            testList.remove(last);  // x2
        };
        Runnable t2 = () -> {
            var last = testList.size() -1;  // y1
            var  r = testList.get(last);  // y2
            System.out.println(r);
        };
        new Thread(t1).start();
        new Thread(t2).start();

    }
}

究其原因，兩個線程 T1，T2 執(zhí)行的復(fù)合操作沒有受鎖保護(hù) ( 實際上就是前文銀行轉(zhuǎn)賬的例子中犯過的錯誤 )。所以正確的做法是對復(fù)合操作整體加鎖。

比如：

var mutex = new Object();
Runnable t1 = () -> {
    synchronized (mutex){
        var last = testList.size() - 1;  // x1
        testList.remove(last);  // x2
    }
};
Runnable t2 = () -> {
    synchronized (mutex){
        var last = testList.size() -1;  // y1
        var  r = testList.get(last);  // y2
        System.out.println(r);
    }
};

// ...

同步容器的迭代問題

在迭代操作中，類似的問題也仍然存在。無論是直接的 for 循環(huán)還是 for-each 循環(huán)，對容器的遍歷方式是使用 Iterator。而使用迭代器本身也是先判斷 ( hasNext ) 再讀取 ( next ) 的復(fù)合過程。Java 對同步容器的迭代處理是：假設(shè)某一個線程在迭代的過程中發(fā)現(xiàn)容器被修改過了，則立刻失敗 ( 也稱及時失敗 )，并拋出一個 ConcurrentModificationException 異常。

// 可能需要運行多次才能拋出 ConcurrentModificationException
Runnable t1 = () -> {
    // 刪除中間的元素
    int mid =  testList.size() / 2;
    testList.remove(mid);
};
Runnable t2 = () -> {
    for(var item : testList){
        System.out.println(item);
    }
};
new Thread(t1).start();
new Thread(t2).start();

類似地，想要不受打擾地迭代容器元素，我們也要在 for 循環(huán)的外面加鎖，但是可能并不是一個好的主意。假如容器的規(guī)模非常大，或者每個元素的處理時間非常長，那么其它等待容器執(zhí)行短作業(yè)的線程會因此陷入長時間的等待，這會帶來活躍性問題。

一個可行的方法就是實現(xiàn)讀寫分離 —— 一旦有寫操作，則重新拷貝一份新的容器副本，而在此期間所有讀操作則仍在原來的容器中進(jìn)行，實現(xiàn) "讀-讀共享"。當(dāng)讀操作遠(yuǎn)多于寫操作時，這種做法無疑可以大幅度地提高程序的吞吐量，見后文的并發(fā)容器 CopyOnWriteArrayList。

警惕隱含迭代的操作

不僅是顯式的 for 循環(huán)會觸發(fā)迭代。比如容器的 toString 方法在底層調(diào)用 StringBuilder.append() 方法依次將每一個元素的字符串拼接起來。除此之外，包括 equals，containsAll，removeAll，retainAll，乃至將容器本身作為參數(shù)的構(gòu)造器，都隱含了對容器的迭代過程。這些間接的迭代錯誤都有可能拋出 ConcurrentModificationException 異常。

并發(fā)容器

考慮到重量級鎖對性能的影響，Java 后續(xù)提供了各種并發(fā)容器來改進(jìn)同步容器的性能問題。同步容器將所有操作完全串行化。當(dāng)鎖競爭尤其激烈時，程序的吞吐量將大大降低。因此，使用并發(fā)容器來替代同步容器，在絕大部分情況下都算是一頓 "免費的午餐"。

ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap 使用了更小的封鎖粒度換取了更大程度的共享，這個封鎖機制稱之為分段鎖 ( Lock Stripping )。簡單點說，就是每一個桶由單獨的鎖來保護(hù)，操作不同桶的兩個線程不需要相互等待。好處是，在高并發(fā)環(huán)境下，ConcurrentHashMap 帶來了更大的吞吐量，但問題是，封鎖粒度的減小削弱了容器的一致性語義，或稱弱一致性 ( Weakly Consistent )。

比如說需要在整個 Map 上計算的 size() 和 isEmpty() 方法，弱一致性會使得這些方法的計算結(jié)果是一個過期值。這考慮到是一個權(quán)衡，因為在并發(fā)環(huán)境下，這兩個方法的作用很小，因為其返回值總是不斷變化的。因此，這些操作的需求被弱化了，以換取其它更重要的性能優(yōu)化，比如 get，put，cotainsKey，remove 等。

因此，除非一部分嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臉I(yè)務(wù)無法容忍弱一致性，否則并發(fā)的 HashMap 是要比同步 HashMap 更優(yōu)的選擇。

CopyOnWriteArrayList

該工具在讀操作遠(yuǎn)多于寫操作的場合下能夠提供更好的并發(fā)性能，在迭代時不需要對容器進(jìn)行加鎖或者復(fù)制。當(dāng)發(fā)生修改時，該容器會創(chuàng)建并重新發(fā)布一個新的容器副本。在新副本創(chuàng)建之前，一切讀操作仍然以舊的容器為準(zhǔn)，因此這不會拋出 ConcurrentModificationException 問題。

相對的，如果頻繁調(diào)用 add，remove，set 等方法，則該容器的吞吐量會大大降低，因為這些操作需要反復(fù)調(diào)用系統(tǒng)的 copy 方法復(fù)制底層的數(shù)組 ( 這也是沒有設(shè)計 "CopyOnWriteLinkedList" 的原因，因為拷貝的效率會更低 )。同時，寫入時復(fù)制的特性使得 CopyOnWriteArrayList 是弱一致性的。

阻塞隊列 & 生產(chǎn)者 — 消費者模式

阻塞隊列，簡單地說，就是當(dāng)隊列為空時，執(zhí)行 take 操作會進(jìn)入阻塞狀態(tài)；當(dāng)隊列滿時，執(zhí)行 put 操作也會進(jìn)入阻塞狀態(tài)。阻塞隊列也可以分有界隊列和無界隊列。無界隊列永遠(yuǎn)不會充滿，因此執(zhí)行 put 方法永遠(yuǎn)不會進(jìn)入阻塞狀態(tài)。但是，如果生產(chǎn)者的執(zhí)行效率遠(yuǎn)超過消費者，那么無界隊列的無限擴張最終會耗盡內(nèi)存。有界隊列則可以保證當(dāng)隊列充滿時，生產(chǎn)者被 put 阻塞，通過這種方式來讓消費者趕上工作進(jìn)度。

可以用阻塞隊列實現(xiàn)生產(chǎn)者 — 消費者模式，最常見的生產(chǎn)者 — 消費者模式是線程池與工作隊列的組合。這種模式將 "發(fā)布任務(wù)" 與 "領(lǐng)取任務(wù)" 解耦，最大的便捷是簡化了復(fù)雜的負(fù)載管理，因為生產(chǎn)者和消費者的執(zhí)行速度并不總是相匹配的。同時，生產(chǎn)者和消費者的角色是相對的。比如處于流水線中游的組件，它們既作為上游的消費者，也作為下游的生產(chǎn)者。

Java 庫已經(jīng)包含了關(guān)于阻塞隊列的多種實現(xiàn)，它自身保證 put 和 take 操作是線程安全的。

• LinkedBlockingQueue 和 ArrayBlockingQueue：此兩者的區(qū)別可以參考 Link 和 Array，見：Java中ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue。兩者均為 FIFO 的隊列。
• PriorityBlockingQueue：優(yōu)先級隊列，當(dāng)我們希望以一定次序處理任務(wù)時，它要比 FIFO 隊列更實用。
• SynchronousQueue：譯為同步阻塞隊列。這個隊列事實上沒有緩存空間，而是維護(hù)一組可用的線程。當(dāng)隊列收到消息時，它可以立刻分配一個線程去處理。但是如果沒有多余的工作線程，那么調(diào)用 put 或者 take 會立刻陷入阻塞狀態(tài)。因此，僅當(dāng)有足夠多的消費者，并且總是有一個消費者準(zhǔn)備好獲取交付的工作時，才適合使用同步隊列。

下方的代碼塊是由 SynchronousQueue 實現(xiàn)的簡易 Demo，每個線程會搶占式消費消息。

var chan = new SynchronousQueue<Integer>();
var worker = new Thread(()->{
    while(true){
        try {
            final var x = chan.take();
            System.out.println("t1 consume: " + x);
        } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}
    }
});
var worker2 = new Thread(()->{
    while(true){
        try {
            final var x = chan.take();
            System.out.println("t2 consume: " + x);
        } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}
    }
});
worker.start();
worker2.start();

for(var i = 0 ; i < 10; i ++) chan.put(i);

基于所有權(quán)的角度去分析，生產(chǎn)者 — 消費者模式和阻塞隊列一起促進(jìn)了 串行的線程封閉。線程封閉對象只能由單個對象擁有，但可以通過在執(zhí)行的最后發(fā)布該對象 ( 即表示之后不會再使用它 )，以表示 "轉(zhuǎn)讓" 所有權(quán)。

阻塞隊列簡化了轉(zhuǎn)移的邏輯。除此之外，還可以通過 ConcurrentMap 的原子方法 remove，或者是 AtomicReference 的 compareAndSet ( 即 CAS 機制 ) 實現(xiàn)安全的串行線程封閉。

雙端隊列和工作竊取

Java 6 之后增加了新的容器類型 —— Deque 和 BlockDeque，它們是對 Queue 以及 BlockingQueue 的拓展。Deque 實現(xiàn)了再隊列頭和隊列尾的高效插入和移除，具體實現(xiàn)包括了 ArrayDeque 和 LinkedBlockingDeque。

雙端隊列適用于另一種工作模式 —— 工作竊取 ( Work Stealing )。比如，一個工作線程已經(jīng)完成清空了自己的任務(wù)隊列，它就可以從其它忙碌的工作線程的任務(wù)隊列的尾部獲取隊列。這種模式要比生產(chǎn)者 —— 消費者具備更高的可伸縮性，因為工作線程不會在單個共享的任務(wù)隊列上發(fā)生競爭。

工作竊取特別適合遞歸的并發(fā)問題，即執(zhí)行一個任務(wù)時會產(chǎn)生更多的工作，比如：Web 爬蟲，GC 垃圾回收時的圖搜索算法。

阻塞和中斷方法

線程可能會被阻塞，或者是暫停執(zhí)行，原因有多種：等待 I/O 結(jié)束，等待獲得鎖，等待從 Thread.sleep 中喚醒，等待另一個線程的計算結(jié)果。被阻塞的線程必須要在這些 "外因" 被解決之后才有機會繼續(xù)執(zhí)行，即恢復(fù)到 RUNNABLE ( 也稱就緒 ) 狀態(tài)，等待被再次調(diào)度 CPU 執(zhí)行。

這段描述其實對應(yīng)了 JVM 線程的兩個狀態(tài)：BLOCKING 和 WAITING。

• BLOCKING，當(dāng)線程準(zhǔn)備進(jìn)入一段新的同步代碼塊時，因不能獲得鎖而等待。
• WAITING，當(dāng)線程已經(jīng)進(jìn)入同步代碼塊之后，在執(zhí)行的過程中因不滿足某些條件而暫停。這時可以調(diào)用 waiting 方法 釋放已占據(jù)的鎖。其它工作線程得以搶占此鎖并執(zhí)行，直到滿足先驗條件為真時，其它線程可以通過 notifyAll 方法重新令監(jiān)視此鎖的所有 WAITING 線程再次爭鎖并繼續(xù)工作。wait / notify / notifyAll 構(gòu)成了線程之間的協(xié)商機制，見下面的代碼塊。

static class Status{public boolean v;}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
    var status = new Status();
    status.v = false;
    var mutex = new Object();
    new Thread(()->{
        synchronized (mutex){
            System.out.println("get mutex");
            // 此時檢測的狀態(tài)為 false, 進(jìn)入 WAITING 狀態(tài)。
            if(!status.v) try {mutex.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}
            // 被喚醒后重新檢測狀態(tài)為 true。
            System.out.println(status.v);
        }
    }).start();
    new Thread(()->{
        synchronized (mutex){
            // 將狀態(tài)設(shè)置為 true，喚醒上面的線程
            status.v = true;
            mutex.notify(); 
        }
    }).start();
}

只有處于 RUNNABLE 狀態(tài)的線程才會實際獲得 CPU 使用權(quán)。

Java些操使線程釋放鎖資源

Java JVM中線程狀態(tài)詳解

在 Java 中，一切會發(fā)生阻塞的方法都會被要求處理 InterruptedException 受檢異常。調(diào)用阻塞方法的方法也會變成阻塞方法。線程內(nèi)部有一個 boolean 類型的狀態(tài)位表示中斷，調(diào)用 interrupt 方法可以將該狀態(tài)位標(biāo)識為 true。

但是這不意味著該線程就會立刻中斷：

• 如果該線程并沒有調(diào)用阻塞的方法并一直處于 RUNNABLE 狀態(tài)，則標(biāo)記中斷不會有任何實際效果。
• 如果發(fā)起中斷時目標(biāo)線程正處于阻塞狀態(tài)，則會拋出 InterruptedException 異常。

同步工具類

Java 還提供了諸如信號量 ( Semaphore )，柵欄 ( Barrier )，以及閉鎖 ( Latch ) 作為同步工具類，它們都包含了一定的結(jié)構(gòu)性屬性：這些狀態(tài)將決定執(zhí)行同步工具類的線程是執(zhí)行還是等待。

閉鎖

閉鎖是一種同步工具類，可以延遲線程的進(jìn)度直到閉鎖打開。在此之前，所有的線程必須等待，而在閉鎖結(jié)束之后，這個鎖將永久保持打開狀態(tài)。這個特性適用于 需要確保某個任務(wù)的前序任務(wù) ( 比如初始化 ) 全部完成之后才可以執(zhí)行的場合，見下方的代碼：Worker 線程等待另兩個初始化線程準(zhǔn)備就緒之后輸出 p 的結(jié)果。

// class Point{int x,y;}
final var p = new Point();
final var p_latch = new CountDownLatch(2);
// Worker
new Thread(()->{
    try {p_latch.await();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}
    System.out.printf("Point(x=%d,y=%d)",p.x,p.y);
}).start();

// Init x
new Thread(()->{
    p.x = 1;
    p_latch.countDown();
}).start();

// Init y
new Thread(()->{
    p.y = 2;
    p_latch.countDown();
}).start();

FutureTask 也可以拿來做閉鎖，它實現(xiàn)了 Future 的語義，表示一個抽象的可生成結(jié)果的計算，一般需要由線程池驅(qū)動執(zhí)行，表示一個異步的任務(wù)。

Runnable 接口表示無返回值的計算，Callable<T> 代表有返回值的計算。

final var futurePoint = new FutureTask<>(()->new Point(1,2));
new Thread(futurePoint).start();
new Thread(()->{
    try {
        // 在 Callable 計算出結(jié)果之前阻塞
        var p = futurePoint.get();
        System.out.printf("Point(x=%d,y=%d)",p.x,p.y);
    } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}).start();

信號量

計數(shù)信號量用于控制某個資源的同時訪問數(shù)量，通常用于配置有容量限制的資源池，或稱有界阻塞容器。Semaphore 管理一組許可，線程在需要時首先獲取許可，并在操作結(jié)束之后歸還許可。如果許可數(shù)量被耗盡，那么線程則必須要阻塞到其它任意線程歸還許可 ( 默認(rèn)情況下遵循 Non-Fair 策略 ) 為止。特別地，當(dāng)信號量的許可數(shù)為 1 時，則可認(rèn)為是不可重入的互斥鎖。

下面是一個利用信號量 + 同步容器實現(xiàn)的簡易阻塞隊列：

class BoundedBlockingQueue<E>{
    final private List<E> list = Collections.synchronizedList(new LinkedList<>());
    final private Semaphore se;

    public BoundedBlockingQueue(int cap){
        se = new Semaphore(cap);
    }
    public void enqueue(E e) throws InterruptedException {
        se.acquire();
        list.add(0,e);
    }
    public E dequeue(){
        final var done = list.remove(0);
        se.release();
        return done;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "BoundedBlockingQueue{" +
                "list=" + list +
                '}';
    }
}

柵欄

柵欄 ( Barrier ) 類似于閉鎖，同樣都會阻塞到某一個事件發(fā)生。閉鎖強調(diào)等待某個事件發(fā)生之后再執(zhí)行動作，而柵欄更強調(diào)在某個事件發(fā)生之前等待其它線程。它可用于實現(xiàn)一些協(xié)議："所有人在指定的時間去會議室碰頭，等到所有的人到齊之后再開會"，比如數(shù)據(jù)庫事務(wù)的兩階段提交。

Java 提供了一個名為 CyclicBarrier 的柵欄，它指定了 N 個工作線程 反復(fù)地 在柵欄位置匯集。在某線程執(zhí)行完畢之后，調(diào)用 await() 方法阻塞自身，以等待其它更慢的線程到達(dá)柵欄位置。當(dāng)設(shè)定的 N 個線程均調(diào)用 await() 之后，柵欄將打開，此時所有的線程將可以繼續(xù)向下執(zhí)行代碼，而柵欄本身的狀態(tài)會重置，以便復(fù)用 ( 因而命名為 Cyclic- )。

見下面的代碼，4 個線程并行執(zhí)行初始化工作 ( 以隨機時間的 sleep 模擬延遲 )，并等待所有線程初始化完畢之后同時打印信息。

final int N = 4;
final var barrier =  new CyclicBarrier(N);
final Thread[] workers = new Thread[N];

for(var i : new Integer[]{0,1,2,3}){
    var t = new Thread(()->{
        try {
            // 模擬隨機的延時
            var rdm = new Random().nextInt(1000);
            Thread.sleep(rdm);

            // 在所有其它線程到達(dá)之前阻塞
            barrier.await();

            // 所有線程到達(dá)之后執(zhí)行，每個線程打印延時時間
            System.out.printf("prepare for %d millis\n",rdm);
        } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    });
    workers[i] = t;
    t.start();
}
// 等待所有的任務(wù)并行執(zhí)行完畢。
for(var worker : workers){worker.join();}

在不涉及 IO 操作和數(shù)據(jù)共享的計算問題當(dāng)中，線程數(shù)量為 NCPU 或者 NCPU + 1 時會獲得最優(yōu)的吞吐量，更多的線程也不會帶來帶來幫助，甚至性能還會下降，因為 CPU 需要頻繁的切換上下文。

一旦線程成功地到達(dá)柵欄，則 await() 方法會其標(biāo)記為 "子線程"。CyclicBarrier 的構(gòu)造器還接受額外的 Runnable 接口做回調(diào)函數(shù)，當(dāng)所有線程全部到達(dá)柵欄之后，CyclicBarrier 會從子線程當(dāng)中挑選出一個領(lǐng)導(dǎo)線程去執(zhí)行它 ( 即，每一輪通過柵欄之后，它都會被執(zhí)行且僅一次 )，我們可以在此實現(xiàn)日志記錄等操作。

final var barrier =  new CyclicBarrier(N,()->{
    System.out.println("all runners ready");
});

在并行任務(wù)中構(gòu)建高效的緩存

為了用簡單的例子說明問題，我們在這里特別強調(diào)并行 ( Parallel ) 任務(wù)，這些任務(wù)的計算過程是純粹 ( Pure ) 的 —— 這樣的函數(shù)被稱之純函數(shù)。無論它們何時被調(diào)用，被哪個線程調(diào)用，同樣的輸入永遠(yuǎn)得到同樣的輸出。純函數(shù)不和外部環(huán)境交互，因此自然也就不存在競態(tài)條件。

一個非常自然的想法是使用緩存 ( 或稱記憶機制 Memorized ) 避免重復(fù)的運算。在純粹的映射關(guān)系中，固定的輸入總是對應(yīng)固定的輸出，因此使用 K-V 鍵值對來記憶結(jié)果再好不過了。我們基于 HashMap 給出最簡單的一版實現(xiàn)，然后再探討如何改進(jìn)它們。

class MapCacheV1 {
    private final HashMap<Integer,String> cache = new HashMap<>();
    public synchronized String getResult(Integer id){
        var v = cache.get(id);
        if (v == null){
            // 設(shè)定中，這個靜態(tài)方法具有 500ms 左右的延遲。
            v = PURE.slowOperation(id);
            cache.put(id,v);
        }
        return v;
    }
}

盡管我們打算將 MapCache 用于無競態(tài)條件的并行任務(wù)，但 getResult() 方法仍然加上了同步鎖，因為 HashMap 本身不是線程安全的，cache 需要以安全的方式被并發(fā)訪問。然而，這種做法無疑會使得 getResult() 方法變得十分笨重，因為原本可以并行的慢操作 PURE.slowOperation() 也被鎖在了代碼塊內(nèi)部。

最先想到的是使用更加高效的 ConcurrentHashMap 類取代線程不安全的 HashMap，以獲得免費的多線程性能提升：

class MapCacheV2 {
    private final ConcurrentHashMap<Integer,String> cache = new ConcurrentHashMap<>();
    public String getResult(Integer id){
        var v = cache.get(id);
        if(v == null){
            v = PURE.slowOperation(id);
            cache.put(id,v);
        }
        return v;
    }
}

同時，我們這一次取消掉了 getResult() 上的同步鎖。這樣，多線程可以并行地執(zhí)行慢操作，只在修改 cache 時發(fā)生競爭。但這個緩存仍有一些不足 —— 當(dāng)某個線程 A 在計算新值時 ( 即這 500ms 之內(nèi) )，其它線程并不知道。因此，多個線程有可能會計算同一個新值，甚至導(dǎo)致其它的計算任務(wù)無法進(jìn)行。

針對這個問題，我們再一次提出改進(jìn)。不妨讓 cache 保存 "計算過程"，而非值。

這樣，工作線程將有三種行為：

• 緩存中沒有此計算任務(wù)，注冊并執(zhí)行。
• 緩存中有此計算任務(wù)，但未完畢，當(dāng)前線程阻塞 ( 將 CPU 讓給其它需要計算的線程 )。
• 緩存中有此計算任務(wù)，且已計算完畢，直接返回。

回顧前文在閉鎖中提到的 FutureTask<V> 類型，它適合用于當(dāng)前的實現(xiàn)，見下方的代碼：

class MapCacheV3 {
    private final ConcurrentHashMap<Integer,FutureTask<String>> cache = new ConcurrentHashMap<>();
    public String getResult(Integer id) throws ExecutionException, InterruptedException {
        // 獲取一個計算任務(wù)，而非值
        final var task = cache.get(id);
        if(task == null){
            final var newTask = new FutureTask<>(()-> PURE.slowOperation(id));
            // cache.putIfAbsent()
            cache.put(id,newTask);
            newTask.run();
            // 提交并執(zhí)行任務(wù)。
            return newTask.get();
        }else return task.get();
    }
}

MapCacheV3 的實現(xiàn)已經(jīng)近乎完美了。唯一不足的是：我們對 cache 的操作仍然是 "先判斷后執(zhí)行" 的復(fù)合操作，但現(xiàn)在 getResult 并沒有同步鎖的保護(hù)。兩個線程仍然同時調(diào)用 cache.get() 并判空，并開始執(zhí)行重復(fù)的計算。

下面的版本給出了最終的解決方案：使用 ConcurrentMap 的 putIfAbsent() 原子方法修復(fù)可能重復(fù)添加計算任務(wù)的問題。

class MapCacheV4 {
    private final ConcurrentHashMap<Integer,FutureTask<String>> cache = new ConcurrentHashMap<>();
    public String getResult(Integer id) throws ExecutionException, InterruptedException {
        final var task = cache.get(id);
        if(task == null){
            final var newTask = new FutureTask<>(()-> PURE.slowOperation(id));
            // put 和 putIfAbsent 方法均會返回此 Key 對應(yīng)的上一個舊值 Value。
            // 如果 put 的是一個新的 Key，則返回值為 null。
            final var running = cache.putIfAbsent(id,newTask);
            if(running == null) {newTask.run();return newTask.get();} else return running.get();
        }else return task.get();
    }
}

值得注意的是，一旦 cache 存儲的是計算任務(wù)而非值，那么就可能存在緩存污染的問題。一旦某個 FutureTask 的計算被取消，或者失敗，應(yīng)當(dāng)及時將它從緩存中移除以保證將來的計算成功，而不是放任其駐留在緩存內(nèi)部返回失敗的結(jié)果。

緩存思想幾乎應(yīng)用在各個地方。比如在 Web 服務(wù)中，用戶的數(shù)據(jù)往往不會總是直接來自數(shù)據(jù)庫，而是 Redis 這樣的消息中間件。在實際的應(yīng)用環(huán)境下，還有更加復(fù)雜的問題需要被考慮到，比如緩存內(nèi)容過時 ( expired )，或者是定期清理緩存空間等。

到此這篇關(guān)于Java 同步工具與組合類的線程安全性解析的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java 同步工具內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！