一文读懂《Java并发编程实战》：第1章多线程安全性与风险

后台技术汇

发布于 2022-05-28 12:48:59

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发布于 2022-05-28 12:48:59

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多线程是在同一个程序内部并行执行，因此会对相同的内存空间进行并发读写操作。

如果一个线程在读一个内存时，另一个线程正向该内存进行写操作，那进行读操作的那个线程将获得什么结果呢？是写操作之前旧的值？还是写操作成功之后的新值？或是一半新一半旧的值？
如果是两个线程同时写同一个内存，在操作完成后将会是什么结果呢？是第一个线程写入的值？还是第二个线程写入的值？还是两个线程写入的一个混合值？

因此对于多线程代码，如果没有合适的预防措施，任何结果都是可能的。

Java 是最先支持多线程的开发的语言之一，Java 从一开始就支持了多线程能力，因此 Java 开发者能常遇到上面描述的问题场景。

多线程的优势

操作系统为各个独立执行的进程分配各种资源，包括内存，文件句柄以及安全证书。如有需要线程之间甚至可以进行一些粗粒度的通信机制来交换数据，例如：套接字、信号处理器、共享内存、信号量以及文件等。

多线程出现的原因主要有3个：

资源利用率。某些情况下程序会等待某些外部操作，等待期间完全可以用于其他线程的执行，提高资源利用率。

公平性。不同用户与程序对计算机的资源有同等使用权，高效运行方式是提高粗粒度的时间分片（Time Slicing）让这些用户与程序共享计算机资源。

便利性。将复杂度任务拆解为多个子任务程序，每个程序在必要时互相通信，这样的实现会更加简化工作。

多线程的优势主要有4个：

充分发挥多处理器的计算能力。线程是最基本的调度单位，多线程有助于提高提高资源利用率，进而提升系统的吞吐率。

利于建模的简单性。化繁为简，我们现有的框架可以实现这个目标，例如：Servlet 和 RMI （Remote Method Invocation），框架解决细节问题，例如请求管理、线程创建、负债平衡，并在正确时刻分发给正确应用程序组件。

简化异步事件处理。我们现在的操作系统提供了一些高效的分发来实现多路IO，例如Unix 的select 和 poll等，Java 类库获得一族非阻塞的I/O包，这使得系统支持的线程数量得到极大提升。

更灵敏的响应界面。主要是GUI应用程序，例如：AWT 和 Swing 等，采用事件分发线程（Event Dispatch Thread，EDT）替代主事件循环。

多线程的风险

Java 对多线程的支持是一把双刃剑，既简化了并发应用程序的开发，也提高对开发人员的技术要求。

多线程的风险主要体现在3个方面：

安全性问题：“永远不发生糟糕的事情”。多线程下会发生一种常见的并发安全问题，称为竞态条件（Race Condition），这时线程会由于无法预测的数据变化而出错，例如：多线程访问修改相同的变量会引入 非串行因素，这种问题极难定位。

这个例子是非线程安全的使用：

@NotThreadSafe
public class UnsafeSequence {
private int value;
/** 返回唯一值**/
public int getNext(){
return value++;
  }
}

原因是线程的执行非确定性：

这个例子是线程安全的使用：

@ThreadSafe
public class SafeSequence {
private int value;
/** 返回唯一值**/
public synchronized int getNext(){
return value++;
  }
}

活跃性问题：“某件正确的事情最终会发生”。串行程序的活跃性问题之一是无意中造成的死循环；多线程程序的活跃性问题是：死锁、饥饿、活锁等。

性能问题：“我们通常希望正确的事情尽快发生”。性能问题包括多方面：服务时间过长，响应不灵敏，吞吐率过低，资源消耗过高或者可升缩性较低等。

JVM与Java框架对多线程的支持

几乎所有Java应用程序都是多线程的，当 JVM 启动时，它将为 JVM 的内部任务（如：垃圾收集、终结操作等）创建后台线程，并创建一个主线程运行 main 方法。

常见的Java 多线程模块有4个：

Timer：定时器。

Servlet 和 JSP（JavaServer Page）：Servlet 框架用于部署网页程序和分发来自HTTP 客户端请求。抵达服务器的请求会通过一个过滤器，然后分发到正确的 Servlet 或 JSP。每个 Servlet 是一个程序逻辑组件，高吞吐率的网站，多个客户端可能同时请求一个Servlet的服务。

因此， Servlet 需要满足被多线程访问的要求，它必须是线程安全的。

RMI（Remote Method Invocation）：RMI 能够调用其他 JVM 的运行对象，通过 RMI 调用远程方法时，传递的参数会被打包（列集）到一个字节流，通过网络传输给远程 JVM，然后由远程 JVM 拆包（散集）并传递给远程方法。

当 RMI 代码调用远程对象，这个调用会被哪个线程执行？这其实是在由 RMI 管理的线程中进行调用的，因此，它必须是线程安全的。

Swing 和 AWT：GUI 应用程序的异步性。