Android | 如何使程序实现线程安全（拓展关键词：ThreadLocal、重排序、volatile/final）

要点

• 是否对线程安全有初步的了解（初级）
• 是否对线程安全的产生原因有思考（中级） 优化线程安全要注意什么？
• 是否知道final、volatile关键字的作用（中级）
• 是否清楚1.5之前Java DCL 为什么有缺陷（中级）
• 是否清楚地知道如何编写线程安全的程序（高级）
• 是否对ThreadLocal的使用注意事项有认识（高级）

是否清楚地知道如何编写线程安全的程序

• 什么是线程安全？
  • 不安全：资源不同步，脏读脏写； 如多个线程的工作内存读写主存时的不同步； “进程安全”问题不存在， 因为进程之间内存相互独立，各自独享内存的， 一个进程被杀掉的话，其所有内存都还给物理内存了； 可能共享CPU时间片； 线程是存在于进程当中的， 同一个进程中的线程之间是可以共享内存的；
  • 线程安全产生的原因：可变资源（内存）线程间共享（关键词“可变”和“共享”） 线程间不共享的资源不用考虑线程安全了；
• PS：每一个线程都有自己的一个内存副本<Java内存模型>
• 如何实现线程安全？
  • 不共享资源 共享才会产生线程安全问题， 所以尽量不共享；
  • 共享不可变资源(volatile、final)
    • 禁止重排序
  • 有条件地共享可变资源
    • （更改刷新的）可见性 一个线程对共享资源的修改，其他线程能够马上看到！ 实现：某个线程对共享资源进行了更新时，要马上刷新到主存！
    • 操作原子性
    • 禁止重排序

不共享资源

• 可重入函数： 传入一个参数进函数，经过一系列的运算， 再把运算结果返回出去， 中间不会涉及到任何对外部内存的访问、修改， 没有副作用， 像这样没有副作用的函数， 先天就具备线程安全的优势：

• ThreadLocal实现不共享资源 虽然说每个线程都会去访问一个ThreadLocal对象， 但实际上最终访问的 都是自己线程内部的一个副本； 比如下图中的token， 对应的场景如， 一个服务器提供了很多个服务， 每个服务的话， 每个用户进来请求，服务器都会为这个用户 开一个线程 来提供服务， 这个时候， 因为每个用户 就都是属于不同的线程的， 而这里每个线程都去访问这个token 的时候， 都会有一个自己的 String的 一个副本， 这样线程间便不会互相干扰； 如此便是实现了不共享资源， 也就没有线程安全的问题了； 自己线程之内，不管怎么设置，都不会影响到其他线程：

• ThreadLocal原理 看一下ThreadLocal的set方法； 可以看到， ThreadLocal的底层，其实是绑定到线程上的一个ThreadLocalMap， 添加值的时候置入键值对map.set(this,value)， 使用的key，实际上就是this，即ThreadLocal类对象引用， value则企图传入的值； 既然是数据结构是绑定到线程上的， 也就是说， 假设，两个访问ThreadLocal的引用 它们所处的线程 是不一样的话， 那么，它们访问ThreadLocal的set、get时 处理的值，肯定也是不一样的！
  • ThreadLocal中这个ThreadLocalMap是，储存在、绑定在线程上的：

  

• 两句话总结ThreadLocal特性：
  • 唯一 一个ThreadLocal对象，作为全局变量定义在主线程， 为访问它（set()）的N个子线程， 开启（createMap()）N个相互独立的ThreadLocalMap， 因此，每一个子线程访问主线程中的这个独一无二的ThreadLocal对象的时候， 总会访问到子线程自身对应的底层数据存储结构 ThreadLocalMap； 故
  • 不同的线程，访问同一个ThreadLocal对象的时候， 访问的是（绑定到不同线程的）不同的底层数据结构ThreadLocalMap， 读写的是不同的数据； 故 实现了， 同属主线程的一系列子线程间的， 资源不共享，解决的了线程安全问题；

  实战案例如下：

package test;

public class ThreadLocalTest {
    
    private static final ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<Integer>();

    public static class MyRunnable implements Runnable {
          
        @Override
        public void run() {
            threadLocal.set((int) (Math.random() * 100D));
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + threadLocal.get());
        }
    }
  
  
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(new MyRunnable(), "A");
        Thread t2 = new Thread(new MyRunnable(), "B");
        Thread t3 = new Thread(new MyRunnable(), "C");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }


}

运行结果：

• ThreadLocalMap 跟 WeakHashMap 很像：

• 本身对于对象的持有都是弱引用的； 区别是 ThreadLocalMap不用去监听ReferenceQueue， （监听ReferenceQueue还是有一定的开销的） 因，ThreadLocalMap适用于对象较少的场景， 另外， 线程退出时会自动移除；
• 关于Hash冲突的解决方法也是不一样的， 单链表法即传统HashMap解决办法， 开放地址法则适合对象比较少的情况， 即线性探测、平方探测、双散列法等等；

• ThreadLocal的使用建议：
  • 声明为全局静态final成员 ThreadLocal在一个主线程中有一个实例就够了， 没必要每次创建子线程都整一个出来， 并且我们set value的时候， 我们是以ThreadLocal的this为key的， ThreadLocal这个对象的引用最好是独一的、不可更改的！ 不设置final的话，还有另外的问题， 还要考虑什么时候去初始化它，还要考虑可见性， 这就还要考虑加锁了；
  • 避免存储大量对象 因， 底层数据结构、Hash冲突的解决方案和Hash计算算法， 已经做了限制；
  • 用完后及时移除对象 ThreadLocal自身没有监听机制， 如果你设置的ThreadLocal的存在周期非常的长， 那对应的线程就会一直存在， 其引用不会被回收，有内存泄漏风险

共享不可变资源（加final/volatile，禁止重排序）

首先普及一下重排序，等下涉及到

• 什么是重排序？重排序是指令的重排序。 为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序， 重排序就会导致多线程执行的时候有数据不一致问题， 导致程序结果不是理想结果。
• 重排序分为三类：
  • 编译器重排序：不改变单线程程序语义前提下，重新安排执行顺序
  • 指令级并行重排序： 指令并行技术可以将多条指令重叠执行， 如果不存在数据依赖性， 处理器会改变语句对应的机器指令执行顺序
  • 内存系统重排序

案例：

• 定义一个类： 两个成员，x为final，y不为final；

class FinalFieldExample{
    final int x;
    int y;

    public FinalFieldExample(){
        x = 3;
        y = 4;
    }
}

假设Thread1 为 writer线程，初始化了一个FinalFieldExample实例f， Thread2 为 reader线程，读取实例f 的x、y值，赋值给 i、j； 那么表面上我们是期待结果是 i = 3, j = 4的：

• 实际上的情况可能会不如我们期待的那样子， 由于虚拟机的实现或者CPU架构的特征， 指令是可能发生重排序的， 重排序会把非final的变量赋值指令 排序到构造方法之外， 这样的结果自然是， x因为是final的所以自然会在构造方法之内进行赋值， 但y是非final的， 有可能构造方法执行完了， y的赋值指令还没有走完， 这个时候因为构造方法走完， reader读的时候发现f 是不等于null的， 就会把未完成赋值的y 的值给读出来， 那结果j的值就是0了：

所以，各单位请注意！ final啊，它还有一个禁止重排序的作用， 即，禁止被final修饰的代码的对应的指令被重排序

补充：volatile volatile除了能保证线程间的可见性， 也能禁止重排序！！

• 从1.5开始，其语义被增强了，明确了禁止重排序的作用； 1.4以前，即便使用双重校验锁的单例模式，也是有问题的； 单例模式案例（两种加volatile的情况，正常）：

如果不加volatile，就可能会出现类似重排序的问题了： 有可能重排序之后， 构造方法的调用的指令被排到了后面， 这时候程序 还没等构造方法 执行完毕， 就把分配好内存的实例赋值给了引用， 这时候这个引用因为没有经过构造方法， 所以还没有被初始化， 此时Thread1解锁， Thread2直接把这个没有初始化完的引用拿去使用了， 就可能出现问题了！

所以千万注意，使用单例模式的时候 一定要为单例加上volatile关键字！

有条件地共享可变资源

保证可见性的方法

• 使用final关键字
• 使用volatile关键字
• 加锁，锁释放时会强制将缓存刷新到主内存 不过加锁要注意， 加锁只是 对另外跟你这个线程 同样使用一个锁 的那些线程， 才能保证可见性， 如果某个线程没有加锁，它就不一定能够看到了； 加了锁的， 锁释放时会强制将缓存刷新到主内存， 为什么刚说，其他线程加锁 才能看到 本线程 访问的主内存的对应值， 因为资源只有加锁， 才会去主内存刷新， 才会跟其他 同样对本资源 加了锁的线程 保持同步！ 不对共享资源加锁的线程 可能拿着 自己运行内存的数据副本 就去读、写、运算、更新操作了； 如此便可能造成文首所说的，脏读脏写等线程不安全的情况！

保证原子性

• 加锁，保证操作的互斥性， 实现执行控制， 加锁的代码会实现原子性；
• 使用CAS指令（Unsafe.compareAndSwapInt） 不过Unsafe不是公开的， 需要用到反射才能用得到它；
• 使用原子数值类型（如AtomicInteger）
• 使用原子属性更新器（AtomicReferenceFieldUpdater）

经典案例，a++, ++操作符不是原子性的， 任何编程语言在进行a++操作的时候， 都会先把值从a中读出来，给到一个临时变量如tmp中， tmp加一， 之后再把tmp写回到a中， 全程经过了三步操作，不是一个不可拆分的运算单元， 即，非原子性！

如下图，两个线程同时进行a++, 因为a++非原子性操作， 由此可能造成脏读脏写：

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