《java并发编程实战》随笔——第二章 线程安全性

这是《java并发编程实战》第一部分基础知识的第一章。

线程安全性

书中balabala了一堆，其实线程安全性最核心的就是正确性，正确性的含义就是，类的行为与其规范完全一致，通常我们说某个类是线程安全的其实就是说：

当多个线程访问这个类时，这个类始终都能表现出正确的行为。

举个例子，现在要模拟实现一个c++的vector类，它有一个方法push_back(const T &item)， 表示将一个新成员添加到vector中，其内部实现可想而知是维护了一个数组和两个长度变量，结构大致是这样：

class vector {

int length_; // 数组总长度

int count_; //有限元素个数

T *array_;

}

每当有元素push进来时，vector都会更新count_, 将其自增, 你可能想到了这个count_++并不是原子操作，多线程环境下会出问题咯，如果编码时不考虑这一点，那最终实现的这个vector类就是一个非线程安全类。

ps: 虽然看的是java并发编程实战，但主要目的是学习其处理问题的核心思想，所以博客中我还是尽量用自己更熟悉的c/c++或伪代码来示例，见谅。

原子性

考虑一个web程序，它接受客户端请求，在服务端对客户输入的整数进行因式分解，最终结果返给客户端，这是一个很简单的程序，为了提高并发性能，可能需要用若干个线程处理不同的客户端请求。

线程的处理逻辑类可能是这样的：
class Computer {
void compute_facotor(int n, vector<int> &fs)
{
// do_compute
}
}

因为每个线程是状态无关的，它的逻辑就是简单接受客户端输入的数字并将计算结果放入数组fs，过程不涉及任何共享变量，即使并发也不会问题。

假设现在新增了需求，服务器需要统计客户端连接的数量，此时需要添加一个全局变量n_clients，compute_facotor的逻辑要修改为：

class Computer {
void compute_facotor(int n, vector<int> &fs)
{
n_cliens++;
  // do_compute
...
  }
}
基于前面的铺垫，你可能又发现了，自增操作不是原子的，在多线程的环境下统计出来的客户端数量可能不准，除非我们能通过某种机制保证n_clients++是原子的。

竞态条件

当多个线程访问同一资源时，如果对访问顺序敏感，就称存在竞态条件，考虑经常出现在面试中的单例类：

class SingleInstance {
SingleInstance *single;
SingleInstance():single(NULL) {}
public:
SingleInstance *get_instance() {
if (!single) {
singe = new SingleInstance();
}
return single;
} // end get_instance
} // end classget_instance包含一个竞态条件，当A线程看到single为空，需要创建一个新的对象，B线程同样需要判断single是否为空，此时的single是否为空取决于不可预测的时序，包括线程的调度方式以及A线程创建新对象需要的时间：
1.此时single为空，B也去创建新对象，非期望

2.此时single不空，期望

书中有一段话是：

”为了避免竞态条件，就要在修改该变量时禁止其他线程使用该变量，从而确保其它线程只能在修改操作完成之前或者之后使用该变量，而不是修改的过程中“

ps：1.这里用的是”使用“，包括读取和写入

        2.上面这段书中原话个人觉得对"禁止"时机的叙述有点问题，应该是使用该变量时禁止其它线程使用该变量，而不是修改该变量时禁止，试想下两个线程同时进入if(!single)的情况，还是会出问题。

锁

具体到客户端的例子，我们有两个办法保证n_clients++的原子性：

1. 使用内置的线程安全的数据结构类(书中使用java的AutomicLong)

2. 在自增前加锁，确保拿到锁之后不会有其它线程修改该n_clients

剩余

第二章剩余内容都是一些java语言提供的特性，比如synchronized关键字实现代码块or函数的原子操作

ps: 通常不会对整个大函数加锁，否则可能会有性能问题，使用不当甚至可能导致比单线程更差的性能，比如统计客户端连接数的例子，实际只需要对关键的n_clients++加锁，耗时的因式分解不访问共享变量，因此不需要加锁。

总结

讲了一堆废话，其实总结下很简单：

1. 并发的坑：由于不同线程对共享变量不确定的访问时序造成了非期望的结果。

2. 怎么填坑：访问共享变量时加锁啊。

其中2又是一个很大的专题，属于说起来简单做起来难的那类，里面涉及大学问，下一章见。