Java线程安全面试题,你真的了解吗?
多个线程不管以何种方式访问某个类,并且在主调代码中不需要进行同步,都能表现正确的行为。
线程安全有以下几种实现方式:
不可变
不可变(Immutable)的对象一定是线程安全的,不需要再采取任何的线程安全保障措施。只要一个不可变的对象被正确地构建出来,永远也不会看到它在多个线程之中处于不一致的状态。多线程环境下,应当尽量使对象成为不可变,来满足线程安全。
不可变的类型:
final 关键字修饰的基本数据类型
String
枚举类型
Number 部分子类,如 Long 和 Double 等数值包装类型,BigInteger 和 BigDecimal 等大数据类型。但同为 Number 的原子类 AtomicInteger 和 AtomicLong 则是可变的。
对于集合类型,可以使用 Collections.unmodifiableXXX() 方法来获取一个不可变的集合。
public class ImmutableExample {
public static void main(String[] args) { Map<String, Integer> map = new HashMap<>(); Map<String, Integer> unmodifiableMap = Collections.unmodifiableMap(map); unmodifiableMap.put("a", 1); }
}
Exception in thread "main" java.lang.UnsupportedOperationException
at java.util.Collections$UnmodifiableMap.put(Collections.java:1457) at ImmutableExample.main(ImmutableExample.java:9)
Collections.unmodifiableXXX() 先对原始的集合进行拷贝,需要对集合进行修改的方法都直接抛出异常。
public V put(K key, V value) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
互斥同步
synchronized 和 ReentrantLock。
非阻塞同步
互斥同步最主要的问题就是线程阻塞和唤醒所带来的性能问题,因此这种同步也称为阻塞同步。
互斥同步属于一种悲观的并发策略,总是认为只要不去做正确的同步措施,那就肯定会出现问题。无论共享数据是否真的会出现竞争,它都要进行加锁(这里讨论的是概念模型,实际上虚拟机会优化掉很大一部分不必要的加锁)、用户态核心态转换、维护锁计数器和检查是否有被阻塞的线程需要唤醒等操作。
- CAS
随着硬件指令集的发展,我们可以使用基于冲突检测的乐观并发策略:先进行操作,如果没有其它线程争用共享数据,那操作就成功了,否则采取补偿措施(不断地重试,直到成功为止)。这种乐观的并发策略的许多实现都不需要将线程阻塞,因此这种同步操作称为非阻塞同步。
乐观锁需要操作和冲突检测这两个步骤具备原子性,这里就不能再使用互斥同步来保证了,只能靠硬件来完成。硬件支持的原子性操作最典型的是:比较并交换(Compare-and-Swap,CAS)。CAS 指令需要有 3 个操作数,分别是内存地址 V、旧的预期值 A 和新值 B。当执行操作时,只有当 V 的值等于 A,才将 V 的值更新为 B。
- AtomicInteger
J.U.C 包里面的整数原子类 AtomicInteger 的方法调用了 Unsafe 类的 CAS 操作。
以下代码使用了 AtomicInteger 执行了自增的操作。
private AtomicInteger cnt = new AtomicInteger();
public void add() {
cnt.incrementAndGet();
}
以下代码是 incrementAndGet() 的源码,它调用了 Unsafe 的 getAndAddInt() 。
public final int incrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
以下代码是 getAndAddInt() 源码,var1 指示对象内存地址,var2 指示该字段相对对象内存地址的偏移,var4 指示操作需要加的数值,这里为 1。通过 getIntVolatile(var1, var2) 得到旧的预期值,通过调用 compareAndSwapInt() 来进行 CAS 比较,如果该字段内存地址中的值等于 var5,那么就更新内存地址为 var1+var2 的变量为 var5+var4。
可以看到 getAndAddInt() 在一个循环中进行,发生冲突的做法是不断的进行重试。
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5; do { var5 = this.getIntVolatile(var1, var2); } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4)); return var5;
}
- ABA
如果一个变量初次读取的时候是 A 值,它的值被改成了 B,后来又被改回为 A,那 CAS 操作就会误认为它从来没有被改变过。
J.U.C 包提供了一个带有标记的原子引用类 AtomicStampedReference 来解决这个问题,它可以通过控制变量值的版本来保证 CAS 的正确性。大部分情况下 ABA 问题不会影响程序并发的正确性,如果需要解决 ABA 问题,改用传统的互斥同步可能会比原子类更高效。
无同步方案
要保证线程安全,并不是一定就要进行同步。如果一个方法本来就不涉及共享数据,那它自然就无须任何同步措施去保证正确性。
- 栈封闭
多个线程访问同一个方法的局部变量时,不会出现线程安全问题,因为局部变量存储在虚拟机栈中,属于线程私有的。
public class StackClosedExample {
public void add100() { int cnt = 0; for (int i = 0; i < 100; i++) { cnt++; } System.out.println(cnt); }
}
public static void main(String[] args) {
StackClosedExample example = new StackClosedExample(); ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool(); executorService.execute(() -> example.add100()); executorService.execute(() -> example.add100()); executorService.shutdown();
}
100
100
- 线程本地存储(Thread Local Storage)
如果一段代码中所需要的数据必须与其他代码共享,那就看看这些共享数据的代码是否能保证在同一个线程中执行。如果能保证,我们就可以把共享数据的可见范围限制在同一个线程之内,这样,无须同步也能保证线程之间不出现数据争用的问题。
符合这种特点的应用并不少见,大部分使用消费队列的架构模式(如“生产者-消费者”模式)都会将产品的消费过程尽量在一个线程中消费完。其中最重要的一个应用实例就是经典 Web 交互模型中的“一个请求对应一个服务器线程”(Thread-per-Request)的处理方式,这种处理方式的广泛应用使得很多 Web 服务端应用都可以使用线程本地存储来解决线程安全问题。
可以使用 java.lang.ThreadLocal 类来实现线程本地存储功能。
对于以下代码,thread1 中设置 threadLocal 为 1,而 thread2 设置 threadLocal 为 2。过了一段时间之后,thread1 读取 threadLocal 依然是 1,不受 thread2 的影响。
public class ThreadLocalExample {
public static void main(String[] args) { ThreadLocal threadLocal = new ThreadLocal(); Thread thread1 = new Thread(() -> { threadLocal.set(1); try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(threadLocal.get()); threadLocal.remove(); }); Thread thread2 = new Thread(() -> { threadLocal.set(2); threadLocal.remove(); }); thread1.start(); thread2.start(); }
}
1
为了理解 ThreadLocal,先看以下代码:
public class ThreadLocalExample1 {
public static void main(String[] args) { ThreadLocal threadLocal1 = new ThreadLocal(); ThreadLocal threadLocal2 = new ThreadLocal(); Thread thread1 = new Thread(() -> { threadLocal1.set(1); threadLocal2.set(1); }); Thread thread2 = new Thread(() -> { threadLocal1.set(2); threadLocal2.set(2); }); thread1.start(); thread2.start(); }
}
它所对应的底层结构图为:
每个 Thread 都有一个 ThreadLocal.ThreadLocalMap 对象。
/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
- by the ThreadLocal class. */
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
当调用一个 ThreadLocal 的 set(T value) 方法时,先得到当前线程的 ThreadLocalMap 对象,然后将 ThreadLocal->value 键值对插入到该 Map 中。
public void set(T value) {
Thread t = Thread.currentThread(); ThreadLocalMap map = getMap(t); if (map != null) map.set(this, value); else createMap(t, value);
}
get() 方法类似。
public T get() {
Thread t = Thread.currentThread(); ThreadLocalMap map = getMap(t); if (map != null) { ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this); if (e != null) { @SuppressWarnings("unchecked") T result = (T)e.value; return result; } } return setInitialValue();
}
ThreadLocal 从理论上讲并不是用来解决多线程并发问题的,因为根本不存在多线程竞争。
在一些场景 (尤其是使用线程池) 下,由于 ThreadLocal.ThreadLocalMap 的底层数据结构导致 ThreadLocal 有内存泄漏的情况,应该尽可能在每次使用 ThreadLocal 后手动调用 remove(),以避免出现 ThreadLocal 经典的内存泄漏甚至是造成自身业务混乱的风险。
- 可重入代码(Reentrant Code)
这种代码也叫做纯代码(Pure Code),可以在代码执行的任何时刻中断它,转而去执行另外一段代码(包括递归调用它本身),而在控制权返回后,原来的程序不会出现任何错误。
可重入代码有一些共同的特征,例如不依赖存储在堆上的数据和公用的系统资源、用到的状态量都由参数中传入、不调用非可重入的方法等。
低调大师中文资讯倾力打造互联网数据资讯、行业资源、电子商务、移动互联网、网络营销平台。
持续更新报道IT业界、互联网、市场资讯、驱动更新,是最及时权威的产业资讯及硬件资讯报道平台。
转载内容版权归作者及来源网站所有,本站原创内容转载请注明来源。
- 上一篇
实战:javac插入式注解处理器
一套编程语言中编译子系统的优劣,很大程度上决定了程序运行性能的好坏和编码效率的高低,尤其在Java语言中,运行期即时编译与虚拟机执行子系统非常紧密地互相依赖、配合运作。了解JDK如何编译和优化代码,有助于我们写出适合JDK自优化的程序。看过javac源码,我们就知道,当我们的编译器在把java文件编译为字节码的时候,会对java源程序做各方面的校验,在本文的实战中,我们将会使用注解处理器API来编写一款拥有自己编码风格的校验工具,为Javac编译器添加一个额外的功能,在编译程序时检查程序名是否符合上述对类(或接口)、方法、字段的命名要求。 前提 Java程序命名应当符合下列格式的书写规范。 类(或接口):符合驼式命名法,首字母大写。 方法:符合驼式命名法,首字母小写。 字段: 类或实例变量:符合驼式命名法,首字母小写。常量:要求全部由大写字母或下划线构成,并且第一个字符不能是下划线。 代码实现 我们实现注解处理器的代码需要继承抽象类javax.annotation.processing.AbstractProcessor,这个抽象类中只有一个必须覆盖的abstract方法:“proce...
- 下一篇
【Python 学习进阶月刊】 第三期
欢迎订阅Python学习进阶月刊 精彩直播:Python系列直播——Python 进阶教程 课程简介:python 中的函数,类,魔法方法,异步io,多线程,多进程等是学习python中不可缺少的部分。我将对Python这些概念做一些我自己的理解,并带大家深入理解这些概念和一些技巧。 主讲人:夏溪辰——云栖社区特邀爬虫工程师 直播时间:每周四 19:30——20:30 主题:1 python中的一切皆对象直播时间:5月9日(周四)PPT下载:https://yq.aliyun.com/download/3554直播回顾:https://yq.aliyun.com/live/1095 主题:2 深入类与对象直播时间:5月16日(周四)直播回顾:https://yq.aliyun.com/live/1094PPT下载:https://yq.ali
相关文章
文章评论
共有0条评论来说两句吧...
文章二维码
点击排行
-
Docker使用Oracle官方镜像安装(12C,18C,19C)
- Springboot2将连接池hikari替换为druid,体验最强大的数据库连接池
- CentOS8编译安装MySQL8.0.19
- Docker快速安装Oracle11G,搭建oracle11g学习环境
- SpringBoot2配置默认Tomcat设置,开启更多高级功能
- MySQL8.0.19开启GTID主从同步CentOS8
- CentOS7,8上快速安装Gitea,搭建Git服务器
- Jdk安装(Linux,MacOS,Windows),包含三大操作系统的最全安装
- SpringBoot2编写第一个Controller,响应你的http请求并返回结果
推荐阅读
最新文章
- CentOS7设置SWAP分区,小内存服务器的救世主
- 设置Eclipse缩进为4个空格,增强代码规范
- CentOS8安装MyCat,轻松搞定数据库的读写分离、垂直分库、水平分库
- CentOS7编译安装Gcc9.2.0,解决mysql等软件编译问题
- SpringBoot2编写第一个Controller,响应你的http请求并返回结果
- Springboot2将连接池hikari替换为druid,体验最强大的数据库连接池
- CentOS6,CentOS7官方镜像安装Oracle11G
- Hadoop3单机部署,实现最简伪集群
- CentOS7编译安装Cmake3.16.3,解决mysql等软件编译问题
- CentOS7安装Docker,走上虚拟化容器引擎之路