線(xiàn)程安全性概念
當(dāng)對(duì)一個(gè)復(fù)雜對(duì)象進(jìn)行某種操作時(shí)，從操作開(kāi)始到操作結(jié)束，被操作的對(duì)象往往會(huì)經(jīng)歷若干非法的中間狀態(tài)。調(diào)用一個(gè)函數(shù)(假設(shè)該函數(shù)是正確的)操作某對(duì)象常常會(huì)使該對(duì)象暫時(shí)陷入不可用的狀態(tài)(通常稱(chēng)為不穩(wěn)定狀態(tài))，等到操作完全結(jié)束，該對(duì)象才會(huì)重新回到完全可用的狀態(tài)。如果其他線(xiàn)程企圖訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)處于不可用狀態(tài)的對(duì)象，該對(duì)象將不能正確響應(yīng)從而產(chǎn)生無(wú)法預(yù)料的結(jié)果，如何避免這種情況發(fā)生是線(xiàn)程安全性的核心問(wèn)題。
原子概念
當(dāng)方法調(diào)用似乎立即生效時(shí)，該方法就是原子的。 因此，其他線(xiàn)程在方法調(diào)用之前或之后只能看到狀態(tài)，而沒(méi)有中間狀態(tài)。 讓我們看一下非原子方法，看看原子方法如何使類(lèi)具有線(xiàn)程安全性。
重慶分公司
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public class UniqueIdNotAtomic {
private volatile long counter = 0;
public long nextId() {
return counter++;
}
}類(lèi)UniqueIdNotAtomic通過(guò)使用易失性變量計(jì)數(shù)器創(chuàng)建唯一的ID。 我在第2行使用了volatile字段，以確保線(xiàn)程始終看到當(dāng)前值，如此處更詳細(xì)的說(shuō)明。 要查看此類(lèi)是否是線(xiàn)程安全的，我們使用以下測(cè)試：
public class TestUniqueIdNotAtomic {
private final UniqueIdNotAtomic uniqueId = new UniqueIdNotAtomic();
private long firstId;
private long secondId;
private void updateFirstId() {
firstId = uniqueId.nextId();
}
private void updateSecondId() {
secondId = uniqueId.nextId();
}
@Test
public void testUniqueId() throws InterruptedException {
try (AllInterleavings allInterleavings =
new AllInterleavings("TestUniqueIdNotAtomic");) {
while(allInterleavings.hasNext()) {
Thread first = new Thread( () -> { updateFirstId(); } ) ;
Thread second = new Thread( () -> { updateSecondId(); } ) ;
first.start();
second.start();
first.join();
second.join();
assertTrue( firstId != secondId );
}
}
}
}為了測(cè)試計(jì)數(shù)器是否是線(xiàn)程安全的，我們需要在第16和17行中創(chuàng)建兩個(gè)線(xiàn)程。我們啟動(dòng)這兩個(gè)線(xiàn)程（第18和19行）。然后，我們等待直到兩個(gè)線(xiàn)程都通過(guò)第20和21行結(jié)束。 在兩個(gè)線(xiàn)程都停止之后，我們檢查兩個(gè)ID是否唯一，如第22行所示。
為了測(cè)試所有線(xiàn)程交織，我們使用來(lái)自vmlens第15行的AllInterleavings類(lèi)，將完整的測(cè)試放在while循環(huán)中迭代所有線(xiàn)程交織。
運(yùn)行測(cè)試，我們看到以下錯(cuò)誤：
java.lang.AssertionError:
at org.junit.Assert.fail(Assert.java:91)
at org.junit.Assert.assertTrue(Assert.java:43)發(fā)生該錯(cuò)誤的原因是，由于操作++不是原子操作，因此兩個(gè)線(xiàn)程可以覆蓋另一個(gè)線(xiàn)程的結(jié)果。 我們可以在vmlens的報(bào)告中看到這一點(diǎn)：
在發(fā)生錯(cuò)誤的情況下，兩個(gè)線(xiàn)程首先并行讀取變量計(jì)數(shù)器。 然后，兩個(gè)都創(chuàng)建相同的ID。 為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們通過(guò)使用同步塊使方法原子化：
private final Object LOCK = new Object();
public long nextId() {
synchronized(LOCK) {
return counter++;
}
}現(xiàn)在，該方法是原子的。 同步塊可確保其他線(xiàn)程無(wú)法看到該方法的中間狀態(tài)。
不訪(fǎng)問(wèn)共享狀態(tài)的方法是自動(dòng)原子的。 具有只讀狀態(tài)的類(lèi)也是如此。 因此，無(wú)狀態(tài)和不可變的類(lèi)是實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程安全類(lèi)的簡(jiǎn)便方法。 他們所有的方法都是自動(dòng)的。
并非原子方法的所有用法都是自動(dòng)線(xiàn)程安全的。 將多個(gè)原子方法組合為相同的值通常會(huì)導(dǎo)致?tīng)?zhēng)用條件。 讓我們看看從ConcurrentHashMap獲取和放置的原子方法以了解原因。 當(dāng)以前的映射不存在時(shí)，讓我們使用這些方法在映射中插入一個(gè)值：
public class TestUpdateTwoAtomicMethods {
public void update(ConcurrentHashMap map) {
Integer result = map.get(1);
if( result == null ) {
map.put(1, 1);
}
else {
map.put(1, result + 1 );
}
}
@Test
public void testUpdate() throws InterruptedException {
try (AllInterleavings allInterleavings =
new AllInterleavings("TestUpdateTwoAtomicMethods");) {
while(allInterleavings.hasNext()) {
final ConcurrentHashMap map =
new ConcurrentHashMap();
Thread first = new Thread( () -> { update(map); } ) ;
Thread second = new Thread( () -> { update(map); } ) ;
first.start();
second.start();
first.join();
second.join();
assertEquals( 2 , map.get(1).intValue() );
}
}
}
} 該測(cè)試與先前的測(cè)試相似。 再次，我們使用兩個(gè)線(xiàn)程來(lái)測(cè)試我們的方法是否是線(xiàn)程安全的（第18行和第19行）。再次，我們?cè)趦蓚€(gè)線(xiàn)程完成之后測(cè)試結(jié)果是否正確（第24行）。運(yùn)行測(cè)試，我們看到以下錯(cuò)誤：
java.lang.AssertionError: expected:<2> but was:<1>
at org.junit.Assert.fail(Assert.java:91)
at org.junit.Assert.failNotEquals(Assert.java:645)該錯(cuò)誤的原因是，兩種原子方法get和put的組合不是原子的。 因此，兩個(gè)線(xiàn)程可以覆蓋另一個(gè)線(xiàn)程的結(jié)果。 我們可以在vmlens的報(bào)告中看到這一點(diǎn)：
在發(fā)生錯(cuò)誤的情況下，兩個(gè)線(xiàn)程首先并行獲取值。 然后，兩個(gè)都創(chuàng)建相同的值并將其放入地圖中。 要解決這種競(jìng)爭(zhēng)狀況，我們需要使用一種方法而不是兩種方法。 在我們的例子中，我們可以使用單個(gè)方法而不是兩個(gè)方法get和put來(lái)進(jìn)行計(jì)算：
public void update() {
map.compute(1, (key, value) -> {
if (value == null) {
return 1;
}
return value + 1;
});
}因?yàn)榉椒ㄓ?jì)算是原子的，所以這解決了競(jìng)爭(zhēng)條件。 雖然對(duì)ConcurrentHashMap的相同元素進(jìn)行的所有操作都是原子操作，但對(duì)整個(gè)地圖（如大?。┻M(jìn)行操作的操作都是靜態(tài)的。 因此，讓我們看看靜態(tài)意味著什么。
“靜止”是什么意思？
靜態(tài)意味著當(dāng)我們調(diào)用靜態(tài)方法時(shí)，我們需要確保當(dāng)前沒(méi)有其他方法在運(yùn)行。 下面的示例顯示如何使用ConcurrentHashMap的靜態(tài)方法大?。?/p>
ConcurrentHashMap map =
new ConcurrentHashMap();
Thread first = new Thread(() -> { map.put(1,1);});
Thread second = new Thread(() -> { map.put(2,2);});
first.start();
second.start();
first.join();
second.join();
assertEquals( 2 , map.size()); 通過(guò)等待直到所有線(xiàn)程都使用線(xiàn)程連接完成為止，當(dāng)我們調(diào)用方法大小時(shí)，我們確保沒(méi)有其他線(xiàn)程正在訪(fǎng)問(wèn)ConcurrentHashMap。
方法大小使用在java.util.concurrent.atomic.LongAdder，LongAccumulator，DoubleAdder和DoubleAccumulator類(lèi)中也使用的一種機(jī)制來(lái)避免爭(zhēng)用。 與其使用單個(gè)變量存儲(chǔ)當(dāng)前大小，不如使用數(shù)組。 不同的線(xiàn)程更新數(shù)組的不同部分，從而避免爭(zhēng)用。 該算法在Striped64的Java文檔中有更詳細(xì)的說(shuō)明。
靜態(tài)類(lèi)和靜態(tài)方法對(duì)于收集競(jìng)爭(zhēng)激烈的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)很有用。 收集數(shù)據(jù)后，可以使用一個(gè)線(xiàn)程來(lái)評(píng)估收集的統(tǒng)計(jì)信息。
為什么在Java中沒(méi)有其他線(xiàn)程安全方法？
在理論計(jì)算機(jī)科學(xué)中，線(xiàn)程安全性意味著數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足正確性標(biāo)準(zhǔn)。 最常用的正確性標(biāo)準(zhǔn)是可線(xiàn)性化的，這意味著數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的方法是原子的。
對(duì)于常見(jiàn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存在可證明的線(xiàn)性化并發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，請(qǐng)參見(jiàn)Maurice Herlihy和Nir Shavit撰寫(xiě)的《多處理器編程的藝術(shù)》一書(shū)。 但是要使數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)線(xiàn)性化，需要使用比較和交換之類(lèi)的昂貴同步機(jī)制，請(qǐng)參閱論文《定律：無(wú)法消除并發(fā)算法中的昂貴同步》以了解更多信息。
因此，研究了其他正確性標(biāo)準(zhǔn)（例如靜態(tài)）。 因此，我認(rèn)為問(wèn)題不在于“為什么Java中沒(méi)有其他類(lèi)型的線(xiàn)程安全方法？” 但是，Java何時(shí)將提供其他類(lèi)型的線(xiàn)程安全性？
結(jié)論
Java中的線(xiàn)程安全性意味著類(lèi)的方法是原子的或靜態(tài)的。 當(dāng)方法調(diào)用似乎立即生效時(shí)，該方法就是原子的。 靜態(tài)意味著當(dāng)我們調(diào)用靜態(tài)方法時(shí)，我們需要確保當(dāng)前沒(méi)有其他方法在運(yùn)行。
目前，靜態(tài)方法僅用于收集統(tǒng)計(jì)信息，例如ConcurrentHashMap的大小。 對(duì)于所有其他用例，使用原子方法。 讓我們拭目以待，未來(lái)是否會(huì)帶來(lái)更多類(lèi)型的線(xiàn)程安全方法。
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