聊聊保证线程安全的10个小技巧
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。
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);
}
}
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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);
}
}
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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);
}
}
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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();
//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);
}
}
}
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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();
}
}
}
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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);
}
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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() {
//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;
}
}
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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);
}
}
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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);
}
}
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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);
}
}
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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, //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, "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");
}
}
}
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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。
如果你对kafka的使用比较感兴趣,可以看看我的另一篇干货文章《我用kafka两年踩过的一些非比寻常的坑》。
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