后端开发必知的11个线程安全小技巧

 
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：

1. public class NoStatusService {
4.     public void add(String status) {
5.         System.out.println("add status:" + status);
6.     }
9.     public void update(String status) {
10.         System.out.println("update status:" + status);
11.     }
12. }

复制代码

 
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：

1. public class NoChangeService {
2.     public static final String DEFAULT_NAME = "abc";
5.     public void add(String status) {
6.         System.out.println(DEFAULT_NAME);
7.     }
8. }

复制代码

 
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：

1. public class SafePublishService {
2.     private String name;
5.     public String getName() {
6.         return name;
7.     }
10.     public void add(String status) {
11.         System.out.println("add status:" + status);
12.     }
13. }

复制代码

 
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：

1. public class SyncService {
2.     private int age = 1;
3.     private Object object = new Object();
6.     //同步方法
7.     public synchronized void add(int i) {
8.         age = age + i;        
9.         System.out.println("age:" + age);
10.     }
13.    
14.     public void update(int i) {
15.         //同步代码块，对象锁
16.         synchronized (object) {
17.             age = age + i;                     
18.             System.out.println("age:" + age);
19.         }   
20.      }
21.      
22.      public void update(int i) {
23.         //同步代码块，类锁
24.         synchronized (SyncService.class) {
25.             age = age + i;                     
26.             System.out.println("age:" + age);
27.         }   
28.      }
29. }

复制代码

 
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：

1. public class LockService {
2.     private ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
3.     public int age = 1;
4.    
5.     public void add(int i) {
6.         try {
7.             reentrantLock.lock();
8.             age = age + i;           
9.             System.out.println("age:" + age);
10.         } finally {
11.             reentrantLock.unlock();        
12.         }   
13.    }
14. }

复制代码

 
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：

1. try{
2.   String result = jedis.set(lockKey, requestId, "NX", "PX", expireTime);
3.   if ("OK".equals(result)) {
4.       return true;
5.   }
6.   return false;
7. } finally {
8.     unlock(lockKey);
9. }  

复制代码

 
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：

1. @Service
2. public CanalService {
3.     private volatile boolean running = false;
4.     private Thread thread;
7.     @Autowired
8.     private CanalConnector canalConnector;
9.    
10.     public void handle() {
11.         //连接canal
12.         while(running) {
13.            //业务处理
14.         }
15.     }
16.    
17.     public void start() {
18.        thread = new Thread(this::handle, "name");
19.        running = true;
20.        thread.start();
21.     }
22.    
23.     public void stop() {
24.        if(!running) {
25.           return;
26.        }
27.        running = false;
28.     }
29. }

复制代码

 
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：

1. public class ThreadLocalService {
2.     private ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<>();
5.     public void add(int i) {
6.         Integer integer = threadLocal.get();
7.         threadLocal.set(integer == null ? 0 : integer + i);
8.     }
9. }

复制代码

 
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：

1. public class HashMapTest {
4.     private static ConcurrentHashMap<String, Object> hashMap = new ConcurrentHashMap<>();
7.     public static void main(String[] args) {
10.         new Thread(new Runnable() {
11.             @Override
12.             public void run() {
13.                 hashMap.put("key1", "value1");
14.             }
15.         }).start();
18.         new Thread(new Runnable() {
19.             @Override
20.             public void run() {
21.                 hashMap.put("key2", "value2");
22.             }
23.         }).start();
26.         try {
27.             Thread.sleep(50);
28.         } catch (InterruptedException e) {
29.             e.printStackTrace();
30.         }
31.         System.out.println(hashMap);
32.     }
33. }

复制代码

 
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。

1. public class AtomicService {
2.     private AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
3.    
4.     public int add(int i) {
5.         return atomicInteger.getAndAdd(i);
6.     }
7. }

复制代码

 
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：
 

1. public class ThreadPoolTest {
4.     public static void main(String[] args) {
7.       ExecutorService threadPool = new ThreadPoolExecutor(8, //corePoolSize线程池中核心线程数
8.       10, //maximumPoolSize 线程池中最大线程数
9.       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
10.       TimeUnit.SECONDS,//时间单位
11.       new ArrayBlockingQueue(500), //队列
12.       new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy()); //拒绝策略
15.       List<User> userList = Lists.newArrayList(
16.       new User(1L, "苏三", 18, "成都"),
17.       new User(2L, "苏三说技术", 20, "四川"),
18.       new User(3L, "技术", 25, "云南"));
21.       for (User user : userList) {
22.           threadPool.submit(new Work(user));
23.       }
26.       try {
27.           Thread.sleep(100);
28.       } catch (InterruptedException e) {
29.           e.printStackTrace();
30.       }
31.       System.out.println(userList);
32.   }
35.     static class Work implements Runnable {
36.         private User user;
39.         public Work(User user) {
40.             this.user = user;
41.         }
44.         @Override
45.         public void run() {
46.             user.setName(user.getName() + "测试");
47.         }
48.     }
49. }

复制代码

 
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
免责声明：如果侵犯了您的权益，请联系站长，我们会及时删除侵权内容，谢谢合作！