Java中的线程到底有哪些安全策略
Hi，大家好，我是编程小6，很荣幸遇见你，我把这些年在开发过程中遇到的问题或想法写出来，今天说一说Java中的线程到底有哪些安全策略,希望能够帮助你!!!。
本文分享自华为云社区《【高并发】线程安全策略-云社区-华为云》，作者：冰河。
一、不可变对象
不可变对象需要满足的条件
- （1）对象创建以后其状态就不能修改
- （2）对象所有域都是final类型
- （3）对象是正确创建的（在对象创建期间，this引用没有溢出） 对于不可变对象，可以参见JDK中的String类
final关键字：类、方法、变量
- （1）修饰类：该类不能被继承，String类，基础类型的包装类（比如Integer、Long等）都是final类型。final类中的成员变量可以根据需要设置为final类型，但是final类中的所有成员方法，都会被隐式的指定为final方法。
- （2）修饰方法：锁定方法不被继承类修改；效率。注意：一个类的private方法会被隐式的指定为final方法
- （3）修饰变量：基本数据类型变量（数值被初始化后不能再修改）、引用类型变量（初始化之后则不能再指向其他的对象）
在JDK中提供了一个Collections类，这个类中提供了很多以unmodifiable开头的方法，如下： Collections.unmodifiableXXX: Collection、List、Set、Map… 其中Collections.unmodifiableXXX方法中的XXX可以是Collection、List、Set、Map… 此时，将我们自己创建的Collection、List、Set、Map，传递到Collections.unmodifiableXXX方法中，就变为不可变的了。此时，如果修改Collection、List、Set、Map中的元素就会抛出java.lang.UnsupportedOperationException异常。
在Google的Guava中，包含了很多以Immutable开头的类，如下： ImmutableXXX,XXX可以是Collection、List、Set、Map… 注意：使用Google的Guava，需要在Maven中添加如下依赖包：
<dependency>
<groupId>com.google.guava</groupId>
<artifactId>guava</artifactId>
<version>23.0</version>
</dependency>二、线程封闭
- （1）Ad-hoc线程封闭：程序控制实现，最糟糕，忽略
- （2）堆栈封闭：局部变量，无并发问题
- （3）ThreadLocal线程封闭：特别好的封闭方法
三、线程不安全类与写法
1. StringBuilder -> StringBuffer
StringBuilder:线程不安全；
StringBuffer：线程不安全；
字符串拼接涉及到多线程操作时，使用StringBuffer实现。
在一个具体的方法中，定义一个字符串拼接对象，此时可以使用StringBuilder实现。因为在一个方法内部定义局部变量进行使用时，属于堆栈封闭，只有一个线程会使用变量，不涉及多线程对变量的操作，使用StringBuilder即可。
2. SimpleDateFormat -> JodaTime
SimpleDateFormat:线程不安全，可以将其对象的实例化放入到具体的时间格式化方法中，实现线程安全
JodaTime：线程安全
SimpleDateFormat线程不安全的代码示例如下：
package io.binghe.concurrency.example.commonunsafe;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.text.ParseException;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;
@Slf4j
public class DateFormatExample {
private static SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyyMMdd");
//请求总数
public static int clientTotal = 5000;
//同时并发执行的线程数
public static int threadTotal = 200;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
for(int i = 0; i < clientTotal; i++){
executorService.execute(() -> {
try{
semaphore.acquire();
update();
semaphore.release();
}catch (Exception e){
log.error("exception", e);
}
countDownLatch.countDown();
});
}
countDownLatch.await();
executorService.shutdown();
}
public static void update(){
try {
simpleDateFormat.parse("20191024");
} catch (ParseException e) {
log.error("parse exception", e);
}
}
}修改成如下代码即可。
package io.binghe.concurrency.example.commonunsafe;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.text.ParseException;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;
@Slf4j
public class DateFormatExample2 {
//请求总数
public static int clientTotal = 5000;
//同时并发执行的线程数
public static int threadTotal = 200;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
for(int i = 0; i < clientTotal; i++){
executorService.execute(() -> {
try{
semaphore.acquire();
update();
semaphore.release();
}catch (Exception e){
log.error("exception", e);
}
countDownLatch.countDown();
});
}
countDownLatch.await();
executorService.shutdown();
}
public static void update(){
try {
SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyyMMdd");
simpleDateFormat.parse("20191024");
} catch (ParseException e) {
log.error("parse exception", e);
}
}
}对于JodaTime需要在Maven中添加如下依赖包：
<dependency>
<groupId>joda-time</groupId>
<artifactId>joda-time</artifactId>
<version>2.9</version>
</dependency>示例代码如下：
package io.binghe.concurrency.example.commonunsafe;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.joda.time.DateTime;
import org.joda.time.format.DateTimeFormat;
import org.joda.time.format.DateTimeFormatter;
import java.text.ParseException;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;
@Slf4j
public class DateFormatExample3 {
//请求总数
public static int clientTotal = 5000;
//同时并发执行的线程数
public static int threadTotal = 200;
private static DateTimeFormatter dateTimeFormatter = DateTimeFormat.forPattern("yyyyMMdd");
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
for(int i = 0; i < clientTotal; i++){
final int count = i;
executorService.execute(() -> {
try{
semaphore.acquire();
update(count);
semaphore.release();
}catch (Exception e){
log.error("exception", e);
}
countDownLatch.countDown();
});
}
countDownLatch.await();
executorService.shutdown();
}
public static void update(int i){
log.info("{} - {}", i, DateTime.parse("20191024", dateTimeFormatter));
}
}3. ArrayList、HashSet、HashMap等Collections集合类为线程不安全类
4. 先检查再执行：if(condition(a)){handle(a);}
注意：这种写法是线程不安全的！！！！！
两个线程同时执行这种操作，同时对if条件进行判断，并且a变量是线程共享的，如果两个线程均满足if条件，则两个线程会同时执行handle(a)语句，此时，handle(a)语句就可能不是线程安全的。
不安全的点在于两个操作中，即使前面的执行过程是线程安全的，后面的过程也是线程安全的，但是前后执行过程的间隙不是原子性的，因此，也会引发线程不安全的问题。
实际过程中，遇到if(condition(a)){handle(a);}类的处理时，考虑a是否是线程共享的，如果是线程共享的，则需要在整个执行方法上加锁，或者保证if(condition(a)){handle(a);}的前后两个操作（if判断和代码执行）是原子性的。
四、线程安全-同步容器
1. ArrayList -> Vector, Stack
ArrayList:线程不安全；
Vector:同步操作，但是可能会出现线程不安全的情况，线程不安全的代码示例如下：
public class VectorExample {
private static Vector<Integer> vector = new Vector<>();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
while (true){
for(int i = 0; i < 10; i++){
vector.add(i);
}
Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for(int i = 0; i < vector.size(); i++){
vector.remove(i);
}
}
});
Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for(int i = 0; i < vector.size(); i++){
vector.get(i);
}
}
});
thread1.start();
thread2.start();
}
}
}Stack：继承自Vector，先进后出。
2. HashMap -> HashTable(Key, Value都不能为null)
HashMap：线程不安全；
HashTable：线程安全，注意使用HashTable时，Key, Value都不能为null；
3. Collections.synchronizedXXX(List、Set、Map)
注意：在遍历集合的时候，不要对集合进行更新操作。当需要对集合中的元素进行删除操作时，可以遍历集合，先对需要删除的元素进行标记，集合遍历结束后，再进行删除操作。例如，下面的示例代码：
public class VectorExample3 {
//此方法抛出：java.util.ConcurrentModificationException
private static void test1(Vector<Integer> v1){
for(Integer i : v1){
if(i == 3){
v1.remove(i);
}
}
}
//此方法抛出：java.util.ConcurrentModificationException
private static void test2(Vector<Integer> v1){
Iterator<Integer> iterator = v1.iterator();
while (iterator.hasNext()){
Integer i = iterator.next();
if(i == 3){
v1.remove(i);
}
}
}
//正常
private static void test3(Vector<Integer> v1){
for(int i = 0; i < v1.size(); i++){
if(i == 3){
v1.remove(i);
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Vector<Integer> vector = new Vector<>();
vector.add(1);
vector.add(2);
vector.add(3);
//test1(vector);
//test2(vector);
test3(vector);
}
}五、线程安全-并发容器J.U.C
J.U.C表示的是java.util.concurrent报名的缩写。
1. ArrayList -> CopyOnWriteArrayList
ArrayList:线程不安全；
CopyOnWriteArrayList:线程安全；
写操作时复制，当有新元素添加到CopyOnWriteArrayList数组时，先从原有的数组中拷贝一份出来，然后在新的数组中进行写操作，写完之后再将原来的数组指向到新的数组。整个操作都是在锁的保护下进行的。
CopyOnWriteArrayList缺点：
- （1）每次写操作都需要复制一份，消耗内存，如果元素特别多，可能导致GC；
- （2）不能用于实时读的场景，适合读多写少的场景； CopyOnWriteArrayList设计思想：
- （1）读写分离
- （2）最终一致性
- （3）使用时另外开辟空间，解决并发冲突
注意：CopyOnWriteArrayList读操作时，都是在原数组上进行的，不需要加锁，写操作时复制，当有新元素添加到CopyOnWriteArrayList数组时，先从原有的集合中拷贝一份出来，然后在新的数组中进行写操作，写完之后再将原来的数组指向到新的数组。整个操作都是在锁的保护下进行的。
2.HashSet、TreeSet -> CopyOnWriteArraySet、ConcurrentSkipListSet
CopyOnWriteArraySet:线程安全的，底层实现使用了CopyOnWriteArrayList。
ConcurrentSkipListSet：JDK6新增的类，支持排序。可以在构造时，自定义比较器，基于Map集合。在多线程环境下，ConcurrentSkipListSet中的contains()方法、add()、remove()、retain()等操作，都是线程安全的。但是，批量操作，比如：containsAll()、addAll()、removeAll()、retainAll()等操作，并不保证整体一定是原子操作，只能保证批量操作中的每次操作是原子性的，因为批量操作中是以循环的形式调用的单步操作，比如removeAll()操作下以循环的方式调用remove()操作。如下代码所示：
//ConcurrentSkipListSet类型中的removeAll()方法的源码
public boolean removeAll(Collection<?> c) {
// Override AbstractSet version to avoid unnecessary call to size()
boolean modified = false;
for (Object e : c)
if (remove(e))
modified = true;
return modified;
}所以，在执行ConcurrentSkipListSet中的批量操作时，需要考虑加锁问题。
注意：ConcurrentSkipListSet类不允许使用空元素(null)。
3. HashMap、TreeMap -> ConcurrentHashMap、ConcurrentSkipListMap
ConcurrentHashMap:线程安全，不允许空值
ConcurrentSkipListMap：是TreeMap的线程安全版本，内部是使用SkipList跳表结构实现
4.ConcurrentSkipListMap与ConcurrentHashMap对比如下
- （1）ConcurrentSkipListMap中的Key是有序的，ConcurrentHashMap中的Key是无序的；
- （2）ConcurrentSkipListMap支持更高的并发，对数据的存取时间和线程数几乎无关，也就是说，在数据量一定的情况下，并发的线程数越多，ConcurrentSkipListMap越能体现出它的优势。
注意：在非对线程下尽量使用TreeMap，另外，对于并发数相对较低的并行程序，可以使用Collections.synchronizedSortedMap，将TreeMap进行包装；对于高并发程序，使用ConcurrentSkipListMap提供更高的并发度；在多线程高并发环境中，需要对Map的键值对进行排序，尽量使用ConcurrentSkipListMap。
六、安全共享对象的策略-总结
- （1）线程限制：一个被线程限制的对象，由线程独占，并且只能被占有它的线程修改
- （2）共享只读：一个共享只读的对象，在没有额外同步的情况下，可以被多个线程并发访问，但是任何线程都不能修改它。
- （3）线程安全对象：一个线程安全的对象或者容器，在内部通过同步机制来保证线程安全，所以其他线程无需额外的同步就可以通过公共接口随意访问它
- （4）被守护对象：被守护对象只能通过获取特定的锁来访问
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