20.0 第20章 并发总结 20.1 线程安全的机制

第20章 并发总结

从第15章到第19章，我们一直在讨论并发，本章进行简要总结。多线程开发有两个核心问题：一个是竞争，另一个是协作。竞争会出现线程安全问题，所以，本章首先总结线程安全的机制，然后是协作的机制。管理竞争和协作是复杂的，所以Java提供了更高层次的服务，比如并发容器类和异步任务执行服务，我们也会进行总结。本章纲要如下：

• 线程安全的机制；
• 线程的协作机制；
• 容器类；
• 任务执行服务。

20.1 线程安全的机制

线程表示一条单独的执行流，每个线程有自己的执行计数器，有自己的栈，但可以共享内存，共享内存是实现线程协作的基础，但共享内存有两个问题，竞态条件和内存可见性，之前章节探讨了解决这些问题的多种思路：

• 使用synchronized；
• 使用显式锁；
• 使用volatile；
• 使用原子变量和CAS；
• 写时复制；
• 使用ThreadLocal。

（1）synchronized

synchronized简单易用，它只是一个关键字，大部分情况下，放到类的方法声明上就可以了，既可以解决竞态条件问题，也可以解决内存可见性问题。

需要理解的是，它保护的是对象，而不是代码，只有对同一个对象的synchronized方法调用，synchronized才能保证它们被顺序调用。对于实例方法，这个对象是this；对于静态方法，这个对象是类对象；对于代码块，需要指定哪个对象。

另外，需要注意，它不能尝试获取锁，也不响应中断，还可能会死锁。不过，相比显式锁，synchronized简单易用，JVM也可以不断优化它的实现，应该被优先使用。

（2）显式锁

显式锁是相对于synchronized隐式锁而言的，它可以实现synchronized同样的功能，但需要程序员自己创建锁，调用锁相关的接口，主要接口是Lock，主要实现类是Reen-trantLock。

相比synchronized，显式锁支持以非阻塞方式获取锁，可以响应中断，可以限时，可以指定公平性，可以解决死锁问题，这使得它灵活得多。

在读多写少、读操作可以完全并行的场景中，可以使用读写锁以提高并发度，读写锁的接口是ReadWriteLock，实现类是ReentrantReadWriteLock。

（3）volatile

synchronized和显式锁都是锁，使用锁可以实现安全，但使用锁是有成本的，获取不到锁的线程还需要等待，会有线程的上下文切换开销等。保证安全不一定需要锁。如果共享的对象只有一个，操作也只是进行最简单的get/set操作，set也不依赖于之前的值，那就不存在竞态条件问题，而只有内存可见性问题，这时，在变量的声明上加上volatile就可以了。

（4）原子变量和CAS

使用volatile, set的新值不能依赖于旧值，但很多时候，set的新值与原来的值有关，这时，也不一定需要锁，如果需要同步的代码比较简单，可以考虑原子变量，它们包含了一些以原子方式实现组合操作的方法，对于并发环境中的计数、产生序列号等需求，考虑使用原子变量而非锁。

原子变量的基础是CAS，一般的计算机系统都在硬件层次上直接支持CAS指令。通过循环CAS的方式实现原子更新是一种重要的思维。相比synchronized，它是乐观的，而synchronized是悲观的；它是非阻塞式的，而synchronized是阻塞式的。CAS是Java并发包的基础，基于它可以实现高效的、乐观、非阻塞式数据结构和算法，它也是并发包中锁、同步工具和各种容器的基础。

（5）写时复制

之所以会有线程安全的问题，是因为多个线程并发读写同一个对象，如果每个线程读写的对象都是不同的，或者，如果共享访问的对象是只读的，不能修改，那也就不存在线程安全问题了。

我们在介绍容器类CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet时介绍了写时复制技术，写时复制就是将共享访问的对象变为只读的，写的时候，再使用锁，保证只有一个线程写，写的线程不是直接修改原对象，而是新创建一个对象，对该对象修改完毕后，再原子性地修改共享访问的变量，让它指向新的对象。

（6）ThreadLocal

ThreadLocal就是让每个线程，对同一个变量，都有自己的独有副本，每个线程实际访问的对象都是自己的，自然也就不存在线程安全问题了。