前言

对于从事后端开发的同学来说,​​线程安全​​问题是我们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?

今天跟大家一起聊聊,保证线程安全的10个小技巧,希望对你有所帮助。

聊聊保证线程安全的 10 个小技巧_线程安全

1. 无状态

我们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,那么如果我们没有公共资源,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,我们定义了公共资源,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。

3. 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​​。

我们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();


public synchronized void add(int i) {
age = age + i;
System.out.println("age:" + age);
}


public void update(int i) {

synchronized (object) {
age = age + i;
System.out.println("age:" + age);
}
}

public void update(int i) {

synchronized (SyncService.class) {
age = age + i;
System.out.println("age:" + age);
}
}
}

4. 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。

通常我们会使用​​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。

5. 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。

其中我个人更推荐使用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。

如果你对redis分布式锁的用法和常见的坑,比较感兴趣的话,可以看看我的另一篇文章《​​聊聊redis分布式锁的8大坑​​》,里面有更详细的介绍。

6. volatile

有时候,我们有这样的需求: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() {

while(running) {

}
}

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。

7. 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:我们平常在使用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);
}
}

如果对ThreadLocal感兴趣的小伙伴,可以看看我的另一篇文章《​​ThreadLocal夺命11连问​​》,里面有对ThreadLocal的原理、用法和坑,有非常详细的介绍。

8. 线程安全集合

有时候,我们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专门给我们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。

9. 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);
}
}

10. 数据隔离

有时候,我们在操作集合数据时,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,
10,
60,
TimeUnit.SECONDS,
new ArrayBlockingQueue(500),
new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());

List<User> userList = Lists.newArrayList(
new User(1L, "苏三", 18, "成都"),
new User(2L, "苏三说技术", 20, "四川"),
new User(3L, "技术", 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。