Java 多线程同步

1. 概述

由于每句代码只能在一个线程中执行，当多个线程试图访问同一个对象域时，就会出现竞争，导致对象的数据最终出现错误。
特别是当线程中的操作不是原子操作的时候，当线程切换的时候。

为了消除竞争的危害，对于多个线程有可能同时操作同一个对象的情况，我们就要实现线程同步

实现线程同步的方法主要有三种：

使用 Lock/Condition 即显式的锁
使用 synchronized 关键字
使用并发库和阻塞类来实现线程管理

Executor 和 Task 优先于线程
并发工具优先于 wait() 和 notify()
—— Effective Java Second Edition

注意，线程同步不仅要求互斥性，也要求可见性，即只有一个线程能对同步代码块进行操作，同时，该代码块对所有线程应是可见的

2. 使用 ReentrantLock 实现同步

2.1 锁的初级使用

ReentrantLock 是一个锁对象，在有可能出现竞争的方法中使用锁，就可以保护一段代码块同一时间只能由一个线程进行读写操作

例如：

public class Bank {
    private ReentrantLock myLock;
    public void transfer() {
        myLock.lock();
        // ----------- 临界区
        try {
            // some works
        }
        finally {
            myLock.unlock();
        }
        // ---------- 临界区
    }
}

在临界区之间的代码是受锁对象保护的，当其他线程试图执行临界区代码（试图获取锁）时，就会导致线程阻塞，直到当前执行的线程解开锁为止。

注意要将解锁代码放置在 finally 中，否则可能会由于异常的抛出而无法解锁。
此时，不能使用带资源的try块。
因为要在 finally 中释放锁，而释放锁的方法不是 close()

锁是可重入的，锁对象自身维护一个持有计数，如果在临界区中调用了另一个被锁保护的方法，那么，计数器增加，解锁后，计数器减少，直到持有计数为 0 时，线程才会释放锁。

当由于异常而跳出临界区时，应进行相应的清理操作，保证对象的完整性。
因为在 finally 中，锁会被释放。

2.2 公平锁

使用 ReentrantLock(boolean fair) 可以指定构造一个公平锁。
它倾向于让阻塞队列中等待时间最长的线程获取到锁，但是额外的检测成本可能会造成性能损失。

2.3 条件对象

条件对象 Condition 用于确保临界区中的代码符合执行条件。

2.3.1 使用条件对象的原因

不能使用一般的 if 语句进行检查

因为 if 是非原子性的，线程可能在通过检查之后被剥夺，再次进入时却又不满足执行条件。

// DON'T DO THAT!!
if (bank.getBalance(form) >= amount) {
    // transfer() was protected by Lock object.
    bank.transfer(from, to, amount)
}

不能在临界区内检查条件

有可能在条件不满足的情况下，需要其他线程的协助才能满足条件。
例如，当前线程操作的账户对象不满足转出余额，那么就需要等待另一线程向当前账户注资。
此时，由于当前线程占有锁，其他线程无法操作这一账户。

2.3.2 使用条件对象

通过锁对象的 newCondition() 来获得一个条件对象。
当条件不满足时，调用条件对象的 await() 方法

该方法会使当前线程阻塞，加入条件对象等待队列，并放弃锁
当条件有可能满足时，调用条件对象的 singalAll() 方法

这一方法会激活所有的等待该条件对象的线程，并尝试重新获取锁，从被阻塞的地方继续执行
此时，线程应再次测试条件，因为此时无法确保条件是否被满足。

之所以不能确保，是因为线程在 await() 之后，不具备将自己唤醒的能力，必须由另一线程执行 singalAll() 方法。
如果没有一个线程能够调用 singnal，那么此时系统就死锁了。
所以就应在对象的状态有利于等待线程的改变时调用 singalAll() 方法。

另外，也有一个 singal() 方法，这个方法会随机选择一个等待线程进行唤醒。

综上，以下是使用条件对象的基本框架：

class Bank {
    private Condition sufficientFunds;
    private ReentrantLock bankLock;
    ....
    public Bank() {
        ...
        // Using the Lock object to
        // get the condition object reference
        sufficientFunds = bankLock.newCondition();
    }

    ...

    public void transfer(int from, int to, int amount) {
        // Lock the code
        bankLock.lock();
        try {
            while(accounts[from] < amount) {
                // Don't have sufficient funds, await
                sufficientFunds.await();
            }
            // Have sufficient funds
            // Transfer funds..
            ...
            // Transfer complete, singnal all
            sufficientFund.singnalAll();
        }
        finally {
            // Unlock the code
            bankLock.unlock();
        }
    }
}

3. `synchronized` 关键字

3.1 内部锁

这里比 8.5.1 更 “高级” 和傻瓜性了；
其实从 jdk 1.0 开始，任何 Java 对象都拥有一个内部锁；
我们不需要再显式实现一个锁和条件对象的架构了。

如果一个方法用 synchronized 声明，那么对象的锁将保护整个方法;

也就是说：

// Both of these method is equivalent

public synchronized void method() {
    // method body
}

public void method() {
    this.intrinsicLock.lock();
    try {
        // method body
    }
    finally {
        this.intrinsicLock.unlock();
    }
}

3.2 唯一的条件对象

对象的内部锁拥有唯一一个条件对象；
通过 wait() 方法将线程添加到条件的等待队列；
通过 notifyAll() notify() 方法解除等待线程的阻塞

也就是说：

wait(); == intrinsicCondition.await();
notify()All == intrinsicCondition.singnalAll();

3.3 例子

使用 synchronized 重写的 Bank 类

class Bank {
    private double[] accounts;

    public synchronized void transfer(int form, int to, int amount) throws InterruptedException {
        while (accounts[from] < amount) {
            // Do not have suffient funds
            // Using wait() method instead of await()
            wait();
        }
        // Do have suffient funds
        // Transfering..
        accounts[from] -= amount;
        accounts[to] += amount;

        // Transfer done
        // Using notifyAll() method instead of singnalAll()
        notifyAll();
    }

    public synchronized double getTotalBalance() {...}
}

3.4 局限性

可以看到，使用 synchronized 关键字大大减少了代码量，使代码更为整洁；
但是对应的，也存在一些缺点：

不能中断一个正在试图获得锁的进程

因为锁在对象内部，开发者无法操作，2 同
试图获得锁时，不能设定超时
每个锁仅有单一的条件，可能是不够的

3.5 总结

那么，究竟是使用 synchronized 关键字还是 Lock/Condition 机制呢？

最好两者都不使用，使用 Java 自带或一些第三方的并发工具来处理同步问题。

Effective Java 中提到 “并发工具优先” 的概念，即，成套的并发库和并发工具，要优先于使用 wait(), notify() 方法
如果不想采用并发库，并且 synchronized 的缺点并没有对程序造成影响，那么尽量使用它

这样可以减少编写的代码，减少出错的几率
如果特别需要 Lock/Condition 的独有特性时，那么才使用 Lock/Condition

比如说即时中断，特定的等待超时等。

4. 同步阻塞

同步阻塞允许客户使用

synchronized(lock) {
    // method body
}

获取到内部的锁

这也叫做客户端锁定，这个方法是很脆弱的，通常不推荐使用

5. 监视器

监视器是 Per Brinch Hansen 提出的面向对象的线程安全实现方式。

使用 Java 语言来表述就是：

监视器是只包含私有域的类
每个监视器类的对象有一个相关的锁
使用该锁对所有的方法进行加锁
该锁可以有任意多个相关条件

Java 的 synchronized 关键字使用一种不严谨的方法实现了监视器

但是这也导致了 Per Brinch Hansen 本人的批评

6. Volatile 域

volatile 可以被看做是一种 程度较轻的 synchronized;
它只具有 synchronized 提供的可见性，而不具备原子性
同时， volatile 变量不会造成阻塞

这说明了，当我们需要同步的写入操作时，volatile 就不适用了；
但是如果该变量仅用于读取，那么 volatile 能提供优于 synchronized 的性能。

6.1 正确使用 `volatile` 变量的条件

对该变量的写操作不依赖于当前值

比如说，用 volatile 变量做计数器是不行的，因为计数器的增加要先读取当前值
该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

大多数的编程情形都会和这两个条件的其中之一冲突，使得 volatile 不能如 synchronized 一样普遍实现线程安全

6.2 性能考虑

一般情况下， volatile 的性能要比使用 synchronized 要高；
所以在符合使用 volatile 的情形下应该尽量使用。

6.3 正确使用的情形

状态标志

这是 volatile 的最常使用情形，作为一个布尔状态标志，用于指示发生了一个重要的一次性事件，或监视线程状态（是否被终止）
```
volatile boolean shutdownRequested;

...

public void shutdown() { shutdownRequested = true; }

public void doWork() {
    while (!shutdownRequested) {
        // do stuff
    }
}
```
此时，很可能需要从外部（另一线程）调用 shutdown() 方法，那么就需要保证 shutdownRequested 的可见性。
此时，显然使用 volatile 关键字会更好

一次性安全发布

当缺乏同步可见性时，可能会出现一个线程获取到了一个不完全构建的对象，从而出现更新值和旧值同时存在。
此时，可以将该对象的引用定义为 volatile 类型，然后在使用前通过检查该引用就可以知道对象是否安全发布了。

public class BackgroundFloobleLoader {
    public volatile Flooble theFlooble;

    public void initInBackground() {
        // do lots of stuff
        theFlooble = new Flooble();  // this is the only write to theFlooble
    }
}

public class SomeOtherClass {
    public void doWork() {
        while (true) {
            // do some stuff...
            // use the Flooble, but only if it is ready
            if (floobleLoader.theFlooble != null)
                doSomething(floobleLoader.theFlooble);
        }
    }
}

注意使用的条件在于，该对象一经发布就不可修改，或者是线程安全对象
如果需要对该对象进行异步更改，那么就需要 synchronized 等进行额外的同步操作。

独立观察

volatile 变量可以定期的发布一些观察结果供程序内部使用，或者收集必要的统计信息

// Record the last login user's account
public class UserManager {
    public volatile String lastUser;

    public boolean authenticate(String user, String password) {
        boolean valid = passwordIsValid(user, password);
        if (valid) {
            User u = new User();
            activeUsers.add(u);
            lastUser = user;
        }
        return valid;
    }
}

这个模式和上述的模式稍有不同，使用该值的代码需要清除该值可能会随时变化。

volatile bean 模式

这是 Java Bean 模式的一种。
它要求，所有的数据成员都是 volatile 的，同时， getter & setter 必须非常简单，不包含其他复杂代码
该模式为一些易变数据提供了容器，但是要求放入这些容器的对象必须是线程安全的

    @ThreadSafe
    public class Person {
        private volatile String firstName;
        private volatile String lastName;
        private volatile int age;

        public String getFirstName() { return firstName; }
        public String getLastName() { return lastName; }
        public int getAge() { return age; }

        public void setFirstName(String firstName) {
            this.firstName = firstName;
        }

        public void setLastName(String lastName) {
            this.lastName = lastName;
        }

        public void setAge(int age) {
            this.age = age;
       }
}

高级应用——开销较低的读——写锁策略

当对于一个变量的读操作远远超过写操作时，我们就可以使用 volatile 关键字修饰该变量，用于保证可见性，同时对 setter 方法采取 synchronized 修饰保证同步性，实现较低开销的读和写锁

@ThreadSafe
public class CheesyCounter {
    // Employs the cheap read-write lock trick
    // All mutative operations MUST be done with the 'this' lock held
    @GuardedBy("this") private volatile int value;

    public int getValue() { return value; }

    public synchronized int increment() {
        return value++;
    }
}

7. `final` 变量

如果一个域被声明为 final，那么对于该变量将不会出现线程安全问题。
其他线程将在 final 变量被赋值成功后才能见到此变量。

注意，只有变量是线程安全的，其指向的数组、对象等仍然需要同步操作。

8. 死锁

Java 并不能在语言层次上避免或打破死锁的发生，这是程序设计的工作。

9. 线程局部变量

如果要避免线程间共享变量，那么可以使用 ThreadLocal 辅助类为各个线程提供各自的实例。

例如，如果要让每个线程都拥有自己的 SimpleDateFormat 变量，那么只需要

public static final ThreadLocal<SimpleDateFormat> dateFormat =
    new ThreadLocal<SimpleDateFormat>() {
        protected SimpleDateFormat initalValue() {
            return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");
        }
    };

如果要访问具体线程的格式化方法，可以调用

String dateStamp = dateFormat.get().format(new Date());

在一个给定线程中首次调用 get() 方法时，会调用 initialValue() 方法。
在此之后， get() 会返回属于当前线程的那个实例

$\Delta$ 对于随机数生成器，如果需要线程独享的随机数生成器，那么可以使用

int random = ThreadLocalRandom.current().nextInt(upperBound);

current() 会返回特定于当前线程的 Random 类实例。

另外还有个 set() 和 remove() 方法，分别用于为当前线程设置新值和删除当前线程的值。

10. 锁测试与超时

如果要使用这一特性，就要使用 Lock/Condition 架构。

由于尝试获取锁会导致阻塞，使用 tryLock 可以试图申请一个锁，成功则返回 true, 失败返回 false，同时，线程可以立即离开做其他事情

if (myLock.tryLock()) {
    // now the thread owns the lock
    try {...}
    finally {
        myLock.unlock();
    }
}
else {
    // Do something else
}

同时，还可以设置超时参数

if (myLock.tryLock(100, TimeUnit.MILLSECONDS));

注意， tryLock() 会忽略锁的公平性

lock() 方法不能被中断，如果一个线程在等待获取锁时被中断，那么就有可能会造成死锁

但是，如果采用 tryLock()，如果线程在等待期间被中断，将抛出 InterruptedException ，此时就可以用这个特性来跳出死锁问题。

同时，await() 方法也可以设定超时。

11. 读/写锁

如果很多线程从一个数据结构读取数据而很少修改其中数据的话，那么我们使用另一种锁 ReentrantReadWriteLock 来提高性能

此时，允许读线程共享访问，写线程为互斥访问

这里有点像 volatile 的高级应用；
不同的点在于，volatile 用于一个变量，而 ReentrantReadWriteLock 用于一个数据结构

11.1 使用步骤

构建 ReentrantReadWriteLock 对象

private ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();

抽取读锁和写锁

private Lock readLock = rwl.readLock();
private Lock writeLock = rwl.writeLock();1

对所有的 getter 加读锁

public double getTotalBalance() {
    readLock.lock();
    try {...}
    finally {
        readLock.unlock();
    }
}

对所有 setter 加写锁

public void transfer(...) {
    writeLock.lock();
    try {...}
    finally {
        writeLock.unlock();
    }
}