线程安全策略与安全发布

约定不等于承诺〃 2021-10-19 08:34 376阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  线程安全策略
 *   *  线程安全策略种类
     *  不可变对象
     *  线程封闭
     *  同步容器
     *  并发容器
     *   *  CopyOnWriteArrayList
         *  CopyOnWriteArrayset
         *  ConcurrentSkipListSet
         *  ConcurrentHashMap
         *  ConcurrentSkipListMap
 *  安全发布对象

# 线程安全策略 #

## 线程安全策略种类 ##

线程安全策略大致上有如下几种方式：

*  尽量使用不可变对象
 *  尽量使用线程封闭
 *  尽量使用同步容器
 *  尽量使用并发容器

## 不可变对象 ##

不可变对象需要满足的条件

*  对象创建以后其状态就不能被修改
 *  对象所有域都是`final`类型
 *  对象是正确的创建（在对象创建期间，`this`引用没有逸出）

要想使一个对象成为不可能对象，可以通过以下几种方式：

*  将类声明为`final`，这样它就不能被继承了
 *  将所有成员声明为私有，就不允许直接访问这些成员
 *  对变量不提供`set`方法，将所有可变的成员变量命名为`final`，这样只能对它们赋值一次
 *  通过构造器初始化所有成员，进行深度拷贝
 *  在`get`方法中不直接返回对象本身，而是克隆对象并返回对象的拷贝

举例：

如下方式是通过保证共享对象不会被任何线程更新，方法是使共享对象不可变，从而保证线程安全。

public class ImmutableValue{ 
    
      private int value = 0;
    
      public ImmutableValue(int value){ 
        this.value = value;
      }
    
      public int getValue(){ 
        return this.value;
      }
    }

在上述举例中，我们需要注意`ImmutableValue`实例的值是如何在构造函数中传递的。另请注意没有`setter`方法。一旦`ImmutableValue`实例被创建，我们就不能改变它的值。这是不可改变的。但是，我们可以使用该`getValue()`方法获取它。

如果需要对`ImmutableValue`实例执行操作，可以通过返回具有操作产生的值的新实例来执行此操作。以下是添加操作的示例：

public class ImmutableValue{ 
    
      private int value = 0;
    
      public ImmutableValue(int value){ 
        this.value = value;
      }
    
      public int getValue(){ 
        return this.value;
      }
    
      
          public ImmutableValue add(int valueToAdd){ 
          return new ImmutableValue(this.value + valueToAdd);
          }
      
    }

注意该`add()`方法如何返回`ImmutableValue`带有`add`操作结果的新实例，而不是将值添加到自身。

`final`关键字

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>修饰地点</th> 
   <th align="left">特点</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>修饰类</td> 
   <td align="left">不能被继承</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>修饰方法</td> 
   <td align="left">锁定方法不能被继承类修改；一个类中的<code>private</code>方法会被隐式的指定为<code>final</code>方法</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>修饰变量</td> 
   <td align="left">如果是基本数据类型变量，那么它的数值一旦被初始化之后便不能再修改；如果是引用类型变量，则在对其进行初始化之后，便不能让它再指向另外一个对象</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

其它不可变对象

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>来源</th> 
   <th>举例</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>Collections.unmodifiableXXX</code></td> 
   <td><code>Collection</code>、<code>List</code>、<code>Set</code>、<code>Map</code>、<code>etc</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><code>Guava:ImmutableXXX</code></td> 
   <td><code>Collection</code>、<code>List</code>、<code>Set</code>、<code>Map</code>、<code>etc</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 线程封闭 ##

它其实是把对象封装到一个线程里，只有这一个线程能够看到这个对象，那么即便是这个对象不是线程安全的，也不会出现任何线程安全方面的问题了，因为它只能在一个线程里面进行访问。

线程封闭的种类

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>方式</th> 
   <th>特点</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>Ad-hoc</code>线程封闭</td> 
   <td>程序控制实现，最糟糕，忽略</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>堆栈封闭</td> 
   <td>局部变量，无并发问题</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><code>ThreadLocal</code>线程封闭</td> 
   <td>特别好的线程封闭方法</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

名词解释：

堆栈封闭：多个线程访问一个方法的时候，方法中的局部变量都会被拷贝一份，到线程的栈中。所以局部变量是不会被多个线程所共享的，因此也就不会出现并发问题。

`ThreadLocal`线程封闭：每个`Thread`线程内部都有一个`map`，这个`map`是以线程本地对象作为`key`，以线程的变量副本作为`Value`。同时这个`map`是由`TreadLoal`来维护的，由`ThreadLocal`负责向`map`里设置线程的变量值以及获取值。所以对于不同的线程，每次获取副本值的时候，别的线程并不能获取到当前线程的副本值，于是就形成了线程间副本的隔离，做到了多个线程互不干扰。

## 同步容器 ##

非同步容器及其与其对应的同步容器

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>非同步容器</th> 
   <th>同步容器</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>ArrayList</code></td> 
   <td><code>Vector</code>、<code>Stack</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><code>HashMap</code></td> 
   <td><code>HashTable</code>（<code>key</code>、<code>value</code>不能为<code>null</code>）</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><code>java.util</code>包下的<code>List</code>、<code>Set</code>、<code>Map</code></td> 
   <td><code>Collections</code>.<code>synchronizedXXX</code>(<code>List</code>、<code>Set</code>、<code>Map</code>)</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 并发容器 ##

非并发容器及其与其对应的并发容器

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>非并发容器</th> 
   <th>并发容器</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>ArrayList</code></td> 
   <td><code>CopyOnWriteArrayList</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><code>HashSet</code>、<code>TreeSet</code></td> 
   <td><code>CopyOnWriteArraySet</code>、<code>ConcurrentSkipListSet</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><code>HashMap</code>、<code>TreeMap</code></td> 
   <td><code>ConcurrentHashMap</code>、<code>ConcurrentSkipListMap</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### CopyOnWriteArrayList ###

`CopyOnWriteArrayList`是线程安全的，字面上的理解就是写操作时复制，当有新元素添加到`CopyOnWriteArrayList`时，它先从原有的数组里面拷贝一份出来，然后在新的数组上做写操作。写完之后，再将原来的数组指向新的数组。`CopyOnWriteArrayList`的整个`add`操作都是在锁的保护下进行的，这么做主要是为了避免在多线程并发做`add`操作时复制出多个副本出来把数据搞乱了，导致最终的数组数据不是我们所期望的。

`CopyOnWriteArrayList`的几个缺点，第一个缺点由于它做写操作的时候需要拷贝数组，就会消耗内存，如果原数组的内容比较多的情况下，可能会导致`Yong GC`和`Full GC`

它的第二个缺点就是它不能用于实时读的场景，比如说拷贝数组，新增数据都需要时间，所以当我们调用一个`set`操作后，读取到的数据可能还是旧的，虽然`CopyOnWriteArrayList`它能够做到最终的一致性，但是它没法满足我们实时性的要求。因此`CopyOnWriteArrayList`它更适合读多写少的场景。当然，如果你无法保证`CopyOnWriteArrayList`中到底要放置多少数据，也不知道到底要`add`或`set`多少次操作，那么这个类建议慎用。因为如果数据稍微有点多，每次操作的时候都要重新操作数组，这个代价可能特别的高昂。在高性能的互联网应用中，这种操作可能会分分钟引起故障。

由于实际上通常线程操作的`List`不是很大，修改操作也会很少，因此在绝大多数场景下，`CopyOnWriteArrayList`数组都可以很容易的代替`ArrayList`满足线程安全。

`CopyOnWriteArrayList`的设计思想：

*  读写分离，让读和写分开；
 *  最终一致性，因为我在`Copy`的过程中它可能会需要一些时间，它保证最终这个`List`的结果是对的；
 *  使用时另外开辟空间，通过这种方式，来解决掉并发冲突。

`CopyOnWriteArrayList`读操作是在原数组上进行的，是不需要加锁的，而写操作时需要加锁，它为了避免多个线程并发修改复制出多个副本出来把数据搞乱。

### CopyOnWriteArrayset ###

它是线程安全的，它的底层实现是使用了我们刚才所介绍的`CopyOnWriteArrayList`，因此它也适合于大小通常是很小的`set`集合，只读操作远大于可变的操作。因为它通常需要复制整个基础数组，所以对于可变的操作，包括`Add`,`Set`和`Remove`等等相对仍大一些，然后迭代器不支持可变的`Remove`操作。它使用迭代器进行遍历的时候，速度很快，而且不会与其它线程发生冲突。

### ConcurrentSkipListSet ###

它是`JDK6`新增的类，它和`TreeSet`一样，它是支持自然排序的，并且在构造的时候它可以自己定义比较细，和其它`Set`集合一样，`ConcurrentSkipListSet`它是基于`Map`集合的，在多线程环境下，`ConcurrentSkipListSet`它里面的`Contains`方法，`Add`,`Remove`操作都是线程安全的，多个线程可以安全的并发的执行插入、移除和访问操作。但是对于那些批量操作，比如`AddAll`、`RemoveAll`,`Returnall`和`ContainsALL`等并不能保证以原子方式执行。因为`AddAll`、`RemoveAll`,`Returnall`和`ContainsALL`等底层调用的还是`Contains`，`Add`，`Remove`方法。在批量操作时，只能保证每一次的`Contains`、`Add`、`Remove`操作是原子性的，它代表的是在进行`Contains`、`Add`、`Remove`三个操作时不会被其它线程打断。但是它不能保证每一次批量操作都不会被其它线程打断。在使用`ConcurrentSkipListSet`的`AddAll`、`RemoveAll`、`ReturnAll`、`ContainsAll`等这些方法的时候，还是需要自己手动做一些同步操作才可以。比如加上锁，保证在同一时间内只允许在一个线程调用批量操作。同时关于`ConcurrentSkipListSet`，它这种类是不允许使用空元素的，就是我们`Java`里的`null`，因为它无法可靠的将参数及返回值与不存在的元素区分开来。

### ConcurrentHashMap ###

`ConcurrentHashMap`它是`HashMap`的线程安全版本，要注意的是`ConcurrentHashMap`不允许空值，在实际的应用中，除了少数的插入操作和删除操作外，绝大部分我们使用`Map`都是读取操作，而且读操作在大多数都是成功的，基于这个前提`ConcurrentHashMap`针对读操作做了大量的优化，因此这个类具有特别高的并发性，高并发场景下有特别好的表现。

### ConcurrentSkipListMap ###

`ConcurrentSkipListMap`它是`TreeMap`的线程安全版本，内部是使用`SkipList`这种跳表结构来实现的。

有人拿`ConcurrentHashMap`与`ConcurrentSkipListMap`做过性能测试，在4个线程，1.6万数据量的情况下，`ConcurrentHashMap`存取速度是`ConcurrentSkipListMap`速度的4倍左右，但是`ConcurrentSkipListMap`有几个`ConcurrentHashMap`不能比拟的有点

*  `ConcurrentSkipListMap`它的`Key`是有序的，这个`ConcurrentHashMap`是做不到的，
 *  `ConcurrentSkipListMap`它支持更高的并发，它的存取时间和线程数几乎没有关系的，也就是说在数据量一定的情况下，并发的线程越多`ConcurrentSkipListMap`越能体现出它的优势来。在非多线程的情况下，我们应该尽量使用`TreeMap`，此外对于并发性较低的程序，我们也可以使用`Collections`里面的类，它有一个方法叫做`SynchronizedSortedMap`，它是将`TreeMap`进行包装，也可以提供较好的效率。

所以在高并发场景中，如果需要对`Map`的键值进行排序时，也要尽量使用`ConcurrentSkipListMap`，可以得到更好的并发度。

# 安全发布对象 #

安全发布对象的四种方式

*  在静态初始化函数中初始化一个对象引用
 *  将对象的引用保存到`Volatile`类型域或者`AtomicReference`对象中
 *  讲对象的引用保存到某个正确构造对象的`final`类型域中
 *  讲对象的引用保存到一个由锁保护的域中

参考：[thread-safety-and-immutability][]

[thread-safety-and-immutability]: http://tutorials.jenkov.com/java-concurrency/thread-safety-and-immutability.html