后端开发必知的11个线程安全小技巧

苏三呀 2023-07-21 11:07:27

对于从事后端开发的同学来说，线程安全问题是我们每天都需要考虑的问题。

线程安全问题通俗地讲主要是在多线程的环境下，不同线程同时读和写公共资源（临界资源）导致的数据异常问题。

比如：变量a=0，线程1给该变量+1，线程2也给该变量+1。此时，线程3获取a的值有可能不是2，而是1。线程3这不就获取了错误的数据？

线程安全问题会直接导致数据异常，从而影响业务功能的正常使用，所以这个问题还是非常严重的。

那么，如何解决线程安全问题呢？

今天跟大家一起聊聊，保证线程安全的11个小技巧，希望对你有所帮助。

一、无状态

我们都知道只有多个线程访问公共资源的时候，才可能出现数据安全问题，那么如果我们没有公共资源，是不是就没有这个问题呢？

例如：

public class NoStatusService {

    public void add(String status) {        System.out.println("add status:" + status);    }

    public void update(String status) {        System.out.println("update status:" + status);    }}

这个例子中NoStatusService没有定义公共资源，换句话说是无状态的。

这种场景中，NoStatusService类肯定是线程安全的。

二、不可变

如果多个线程访问的公共资源是不可变的，也不会出现数据的安全性问题。

例如：

public class NoChangeService {    public static final String DEFAULT_NAME = "abc";

    public void add(String status) {        System.out.println(DEFAULT_NAME);    }}

DEFAULT_NAME被定义成了static final的常量，在多线程中环境中不会被修改，所以这种情况也不会出现线程安全问题。

三、无修改权限

有时候，我们定义了公共资源，但是该资源只暴露了读取的权限，没有暴露修改的权限，这样也是线程安全的。

例如：

public class SafePublishService {    private String name;

    public String getName() {        return name;    }

    public void add(String status) {        System.out.println("add status:" + status);    }}

这个例子中，没有对外暴露修改name字段的入口，所以不存在线程安全问题。

四、synchronized

使用JDK内部提供的同步机制，这也是使用比较多的手段，分为同步方法和同步代码块。

我们优先使用同步代码块，因为同步方法的粒度是整个方法，范围太大，相对来说，更消耗代码的性能。

其实，每个对象内部都有一把锁，只有抢到那把锁的线程，才被允许进入对应的代码块执行相应的代码。

当代码块执行完之后，JVM底层会自动释放那把锁。

例如：

public class SyncService {    private int age = 1;    private Object object = new Object();

    //同步方法    public synchronized void add(int i) {        age = age + i;                System.out.println("age:" + age);    }

        public void update(int i) {        //同步代码块，对象锁        synchronized (object) {            age = age + i;                                 System.out.println("age:" + age);        }         }          public void update(int i) {        //同步代码块，类锁        synchronized (SyncService.class) {            age = age + i;                                 System.out.println("age:" + age);        }         }}

五、Lock

除了使用synchronized关键字实现同步功能之外，JDK还提供了Lock接口这种显示锁的方式。

通常我们会使用Lock接口的实现类：ReentrantLock，它包含了公平锁、非公平锁、可重入锁、读写锁等更多更强大的功能。

例如：

public class LockService {    private ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();    public int age = 1;        public void add(int i) {        try {            reentrantLock.lock();            age = age + i;                       System.out.println("age:" + age);        } finally {            reentrantLock.unlock();                }       }}

但如果使用ReentrantLock，它也带来了一个小问题，就是需要在finally代码块中手动释放锁。

不过说句实话，使用Lock显示锁的方式解决线程安全问题，给开发人员提供了更多的灵活性。

六、分布式锁

如果是在单机的情况下，使用synchronized和Lock保证线程安全是没有问题的。

但如果在分布式的环境中，即某个应用如果部署了多个节点，每一个节点使用可以synchronized和Lock保证线程安全，但不同的节点之间没法保证线程安全。

这就需要使用分布式锁了。

分布式锁有很多种，比如：数据库分布式锁、zookeeper分布式锁、redis分布式锁等。

其中我个人更推荐使用redis分布式锁，其效率相对来说更高一些。

使用redis分布式锁的伪代码如下：

try{  String result = jedis.set(lockKey, requestId, "NX", "PX", expireTime);  if ("OK".equals(result)) {      return true;  }  return false;} finally {    unlock(lockKey);}

同样需要在finally代码块中释放锁。

七、volatile

有时候，我们有这样的需求：如果在多个线程中，有任意一个线程，把某个开关的状态设置为false，则整个功能停止。

简单的需求分析之后发现：只要求多个线程间的可见性，不要求原子性。

如果一个线程修改了状态，其他的所有线程都能获取到最新的状态值。

这样一分析这就好办了，使用volatile就能快速满足需求。

例如：

@Servicepublic CanalService {    private volatile boolean running = false;    private Thread thread;

    @Autowired    private CanalConnector canalConnector;        public void handle() {        //连接canal        while(running) {           //业务处理        }    }        public void start() {       thread = new Thread(this::handle, "name");       running = true;       thread.start();    }        public void stop() {       if(!running) {          return;       }       running = false;    }}

需要特别注意的地方是：volatile不能用于计数和统计等业务场景。因为volatile不能保证操作的原子性，可能会导致数据异常。

八、ThreadLocal

除了上面几种解决思路之外，JDK还提供了另外一种用空间换时间的新思路：ThreadLocal。

当然ThreadLocal并不能完全取代锁，特别是在一些秒杀更新库存中，必须使用锁。

ThreadLocal的核心思想是共享变量在每个线程都有一个副本，每个线程操作的都是自己的副本，对另外的线程没有影响。

温馨提醒一下：我们平常在使用ThreadLocal时，如果使用完之后，一定要记得在finally代码块中，调用它的remove方法清空数据，不然可能会出现内存泄露问题。

例如：

public class ThreadLocalService {    private ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<>();

    public void add(int i) {        Integer integer = threadLocal.get();        threadLocal.set(integer == null ? 0 : integer + i);    }}

九、线程安全集合

有时候，我们需要使用的公共资源放在某个集合当中，比如：ArrayList、HashMap、HashSet等。

如果在多线程环境中，有线程往这些集合中写数据，另外的线程从集合中读数据，就可能会出现线程安全问题。

为了解决集合的线程安全问题，JDK专门给我们提供了能够保证线程安全的集合。

比如：CopyOnWriteArrayList、ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArraySet、ArrayBlockingQueue等。

例如：

public class HashMapTest {

    private static ConcurrentHashMap<String, Object> hashMap = new ConcurrentHashMap<>();

    public static void main(String[] args) {

        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                hashMap.put("key1", "value1");            }        }).start();

        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                hashMap.put("key2", "value2");            }        }).start();

        try {            Thread.sleep(50);        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }        System.out.println(hashMap);    }}

在JDK底层，或者spring框架当中，使用ConcurrentHashMap保存加载配置参数的场景非常多。

比较出名的是spring的refresh方法中，会读取配置文件，把配置放到很多的ConcurrentHashMap缓存起来。

十、CAS

JDK除了使用锁的机制解决多线程情况下数据安全问题之外，还提供了CAS机制。

这种机制是使用CPU中比较和交换指令的原子性，JDK里面是通过Unsafe类实现的。

CAS内部包含了四个值：旧数据、期望数据、新数据和地址，比较旧数据和期望的数据，如果一样的话，就把旧数据改成新数据。如果不一样的话，当前线程不断自旋，一直到成功为止。

不过，使用CAS保证线程安全，可能会出现ABA问题，需要使用AtomicStampedReference增加版本号解决。

其实，实际工作中很少直接使用Unsafe类的，一般用atomic包下面的类即可。

public class AtomicService {    private AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();        public int add(int i) {        return atomicInteger.getAndAdd(i);    }}

十一、数据隔离

有时候，我们在操作集合数据时，可以通过数据隔离，来保证线程安全。

例如：

public class ThreadPoolTest {

    public static void main(String[] args) {

      ExecutorService threadPool = new ThreadPoolExecutor(8, //corePoolSize线程池中核心线程数      10, //maximumPoolSize 线程池中最大线程数      60, //线程池中线程的最大空闲时间，超过这个时间空闲线程将被回收      TimeUnit.SECONDS,//时间单位      new ArrayBlockingQueue(500), //队列      new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy()); //拒绝策略

      List<User> userList = Lists.newArrayList(      new User(1L, "苏三", 18, "成都"),      new User(2L, "苏三说技术", 20, "四川"),      new User(3L, "技术", 25, "云南"));

      for (User user : userList) {          threadPool.submit(new Work(user));      }

      try {          Thread.sleep(100);      } catch (InterruptedException e) {          e.printStackTrace();      }      System.out.println(userList);  }

    static class Work implements Runnable {        private User user;

        public Work(User user) {            this.user = user;        }

        @Override        public void run() {            user.setName(user.getName() + "测试");        }    }}

这个例子中，使用线程池处理用户信息。

每个用户只被线程池中的一个线程处理，不存在多个线程同时处理一个用户的情况。所以这种人为的数据隔离机制，也能保证线程安全。

数据隔离还有另外一种场景：kafka生产者把同一个订单的消息，发送到同一个partion中。每一个partion都部署一个消费者，在kafka消费者中，使用单线程接收消息，并且做业务处理。

这种场景下，从整体上看，不同的partion是用多线程处理数据的，但同一个partion则是用单线程处理的，所以也能解决线程安全问题。

作者丨苏三呀

来源丨公众号：苏三说技术（ID：susanSayJava）

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