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不是線程的安全
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面試官問(wèn)：“什么是線程安全”，如果你不能很好的回答，那就請(qǐng)往下看吧。
論語(yǔ)中有句話叫“學(xué)而優(yōu)則仕”，相信很多人都覺(jué)得是“學(xué)習(xí)好了可以做官”。然而，這樣理解卻是錯(cuò)的。切記望文生義。
同理，“線程安全”也不是指線程的安全，而是指內(nèi)存的安全。為什么如此說(shuō)呢?這和操作系統(tǒng)有關(guān)。
在每個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存空間中都會(huì)有一塊特殊的公共區(qū)域，通常稱為堆(內(nèi)存)。進(jìn)程內(nèi)的所有線程都可以訪問(wèn)到該區(qū)域，這就是造成問(wèn)題的潛在原因。
假設(shè)某個(gè)線程把數(shù)據(jù)處理到一半，覺(jué)得很累，就去休息了一會(huì)，回來(lái)準(zhǔn)備接著處理，卻發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)被修改了，不是自己離開(kāi)時(shí)的樣子了?？赡鼙黄渌€程修改了。
比如把你住的小區(qū)看作一個(gè)進(jìn)程，小區(qū)里的道路/綠化等就屬于公共區(qū)域。你拿1萬(wàn)塊錢往地上一扔，就回家睡覺(jué)去了。睡醒后你打算去把它撿回來(lái)，發(fā)現(xiàn)錢已經(jīng)不見(jiàn)了?？赡鼙粍e人拿走了。
因?yàn)楣矃^(qū)域人來(lái)人往，你放的東西在沒(méi)有看管措施時(shí)，一定是不安全的。內(nèi)存中的情況亦然如此。
所以線程安全指的是，在堆內(nèi)存中的數(shù)據(jù)由于可以被任何線程訪問(wèn)到，在沒(méi)有限制的情況下存在被意外修改的風(fēng)險(xiǎn)。
即堆內(nèi)存空間在沒(méi)有保護(hù)機(jī)制的情況下，對(duì)多線程來(lái)說(shuō)是不安全的地方，因?yàn)槟惴胚M(jìn)去的數(shù)據(jù)，可能被別的線程“破壞”。
那我們?cè)撛趺崔k呢?解決問(wèn)題的過(guò)程其實(shí)就是一個(gè)取舍的過(guò)程，不同的解決方案有不同的側(cè)重點(diǎn)。
私有的東西就不該讓別人知道
現(xiàn)實(shí)中很多人都會(huì)把1萬(wàn)塊錢藏著掖著，不讓無(wú)關(guān)的人知道，所以根本不可能扔到大馬路上。因?yàn)檫@錢是你的私有物品。
在程序中也是這樣的，所以操作系統(tǒng)會(huì)為每個(gè)線程分配屬于它自己的內(nèi)存空間，通常稱為棧內(nèi)存，其它線程無(wú)權(quán)訪問(wèn)。這也是由操作系統(tǒng)保障的。
如果一些數(shù)據(jù)只有某個(gè)線程會(huì)使用，其它線程不能操作也不需要操作，這些數(shù)據(jù)就可以放入線程的棧內(nèi)存中。較為常見(jiàn)的就是局部變量。
- double avgScore(double[] scores) {
- double sum = 0;
- for (double score : scores) {
- sum += score;
- }
- int count = scores.length;
- double avg = sum / count;
- return avg;
- }
這里的變量sum，count，avg都是局部變量，它們都會(huì)被分配在線程棧內(nèi)存中。
假如現(xiàn)在A線程來(lái)執(zhí)行這個(gè)方法，這些變量會(huì)在A的棧內(nèi)存分配。與此同時(shí)，B線程也來(lái)執(zhí)行這個(gè)方法，這些變量也會(huì)在B的棧內(nèi)存中分配。
也就是說(shuō)這些局部變量會(huì)在每個(gè)線程的棧內(nèi)存中都分配一份。由于線程的棧內(nèi)存只能自己訪問(wèn)，所以棧內(nèi)存中的變量只屬于自己，其它線程根本就不知道。
就像每個(gè)人的家只屬于自己，其他人不能進(jìn)來(lái)。所以你把1萬(wàn)塊錢放到家里，其他人是不會(huì)知道的。且一般還會(huì)放到某個(gè)房間里，而不是仍在客廳的桌子上。
所以把自己的東西放到自己的私人地盤，是安全的，因?yàn)槠渌藷o(wú)法知道。而且越隱私的地方越好。
大家不要搶，人人有份
相信聰明的你已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，上面的解決方案是基于“位置”的。因?yàn)槟惴艝|西的“位置”只有你自己知道(或能到達(dá))，所以東西是安全的，因此這份安全是由“位置”來(lái)保障的。
在程序里就對(duì)應(yīng)于方法的局部變量。局部變量之所以是安全的，就是因?yàn)槎x它的“位置”是在方法里。這樣一來(lái)安全是達(dá)到了，但是它的使用范圍也就被限制在這個(gè)方法里了，其它方法想用也不用了啦。
現(xiàn)實(shí)中往往會(huì)有一個(gè)變量需要多個(gè)方法都能夠使用的情況，此時(shí)定義這個(gè)變量的“位置”就不能在方法里面了，而應(yīng)該在方法外面。即從(方法的)局部變量變?yōu)?類的)成員變量，其實(shí)就是“位置”發(fā)生了變化。
那么按照主流編程語(yǔ)言的規(guī)定，類的成員變量不能再分配在線程的棧內(nèi)存中，而應(yīng)該分配在公共的堆內(nèi)存中。其實(shí)也就是變量在內(nèi)存中的“位置”發(fā)生了變化，由一個(gè)私有區(qū)域來(lái)到了公共區(qū)域。因此潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)也隨之而來(lái)。
那怎么保證在公共區(qū)域的東西安全呢?答案就是，大家不要搶，人人有份。設(shè)想你在街頭免費(fèi)發(fā)放礦泉水，來(lái)了1萬(wàn)人，你卻只有1千瓶水，結(jié)果可想而知，一擁而上，場(chǎng)面失守。但如果你有10萬(wàn)瓶水，大家一看，水多著呢，不用著急，一個(gè)個(gè)排著隊(duì)來(lái)，因?yàn)榭隙〞?huì)領(lǐng)到。
東西多了，自然就不值錢了，從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，也就安全了。大街上的共享單車，現(xiàn)在都很安全，因?yàn)樘嗔?，到處都是，都長(zhǎng)得一樣，所以連搞破壞的人都放棄了。因此要讓一個(gè)東西安全，就瘋狂的copy它吧。
回到程序里，要讓公共區(qū)域堆內(nèi)存中的數(shù)據(jù)對(duì)于每個(gè)線程都是安全的，那就每個(gè)線程都拷貝它一份，每個(gè)線程只處理自己的這一份拷貝而不去影響別的線程的，這不就安全了嘛。相信你已經(jīng)猜到了，我要表達(dá)的就是ThreadLocal類了。
- class StudentAssistant {
- ThreadLocal
realName = new ThreadLocal<>(); - ThreadLocal
totalScore = new ThreadLocal<>(); - String determineDegree() {
- double score = totalScore.get();
- if (score >= 90) {
- return "A";
- }
- if (score >= 80) {
- return "B";
- }
- if (score >= 70) {
- return "C";
- }
- if (score >= 60) {
- return "D";
- }
- return "E";
- }
- double determineOptionalcourseScore() {
- double score = totalScore.get();
- if (score >= 90) {
- return 10;
- }
- if (score >= 80) {
- return 20;
- }
- if (score >= 70) {
- return 30;
- }
- if (score >= 60) {
- return 40;
- }
- return 60;
- }
- }
這個(gè)學(xué)生助手類有兩個(gè)成員變量，realName和totalScore，都是ThreadLocal類型的。每個(gè)線程在運(yùn)行時(shí)都會(huì)拷貝一份存儲(chǔ)到自己的本地。
A線程運(yùn)行的是“張三”和“90”，那么這兩個(gè)數(shù)據(jù)“張三”和“90”是存儲(chǔ)到A線程對(duì)象(Thread類的實(shí)例對(duì)象)的成員變量里去了。假設(shè)此時(shí)B線程也在運(yùn)行，是“李四”和“85”，那么“李四”和“85”這兩個(gè)數(shù)據(jù)是存儲(chǔ)到了B線程對(duì)象(Thread類的實(shí)例對(duì)象)的成員變量里去了。
線程類(Thread)有一個(gè)成員變量，類似于Map類型的，專門用于存儲(chǔ)ThreadLocal類型的數(shù)據(jù)。從邏輯從屬關(guān)系來(lái)講，這些ThreadLocal數(shù)據(jù)是屬于Thread類的成員變量級(jí)別的。從所在“位置”的角度來(lái)講，這些ThreadLocal數(shù)據(jù)是分配在公共區(qū)域的堆內(nèi)存中的。
說(shuō)的直白一些，就是把堆內(nèi)存中的一個(gè)數(shù)據(jù)復(fù)制N份，每個(gè)線程認(rèn)領(lǐng)1份，同時(shí)規(guī)定好，每個(gè)線程只能玩自己的那份，不準(zhǔn)影響別人的。
需要說(shuō)明的是這N份數(shù)據(jù)都還是存儲(chǔ)在公共區(qū)域堆內(nèi)存里的，經(jīng)常聽(tīng)到的“線程本地”，是從邏輯從屬關(guān)系上來(lái)講的，這些數(shù)據(jù)和線程一一對(duì)應(yīng)，仿佛成了線程自己“領(lǐng)地”的東西了。其實(shí)從數(shù)據(jù)所在“位置”的角度來(lái)講，它們都位于公共的堆內(nèi)存中，只不過(guò)被線程認(rèn)領(lǐng)了而已。這一點(diǎn)我要特地強(qiáng)調(diào)一下。
其實(shí)就像大街上的共享單車。原來(lái)只有1輛，大家搶著騎，老出問(wèn)題?，F(xiàn)在從這1輛復(fù)制出N輛，每人1輛，各騎各的，問(wèn)題得解。共享單車就是數(shù)據(jù)，你就是線程。騎行期間，這輛單車從邏輯上來(lái)講是屬于你的，從所在位置上來(lái)講還是在大街上這個(gè)公共區(qū)域的，因?yàn)槟惆l(fā)現(xiàn)每個(gè)小區(qū)大門口都貼著“共享單車，禁止入門”。哈哈哈哈。
共享單車是不是和ThreadLocal很像呀。再重申一遍，ThreadLocal就是，把一個(gè)數(shù)據(jù)復(fù)制N份，每個(gè)線程認(rèn)領(lǐng)一份，各玩各的，互不影響。
只能看，不能摸
放在公共區(qū)域的東西，只是存在潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)，并不是說(shuō)一定就不安全。有些東西雖然也在公共區(qū)域放著，但也是十分安全的。比如你在大街上放一個(gè)上百噸的石頭雕像，就非常安全，因?yàn)榇蠹叶寂粍?dòng)它。
再比如你去旅游時(shí)，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)一些珍貴的東西，會(huì)被用鐵柵欄圍起來(lái)，上面掛一個(gè)牌子，寫著“只能看，不能摸”。當(dāng)然可以國(guó)際化一點(diǎn)，“only look，don't touch”。這也是很安全的，因?yàn)楣饪磶籽凼遣豢赡芸磯牡摹?/p>
回到程序里，這種情況就屬于，只能讀取，不能修改。其實(shí)就是常量或只讀變量，它們對(duì)于多線程是安全的，想改也改不了。
- class StudentAssistant {
- final double passScore = 60;
- }
比如把及格分?jǐn)?shù)設(shè)定為60分，在前面加上一個(gè)final，這樣所有線程都動(dòng)不了它了。這就很安全了。
小節(jié)一下：以上三種解決方案，其實(shí)都是在“?；ㄕ小?。
***種，找個(gè)只有自己知道的地方藏起來(lái)，當(dāng)然安全了。
第二種，每人復(fù)制1份，各玩各的，互不影響，當(dāng)然也安全了。
第三種，更狠了，直接規(guī)定，只能讀取，禁止修改，當(dāng)然也安全了。
是不是都在“避重就輕”呀。如果這三種方法都解決不了，該怎么辦呢?Don't worry，just continue reading。
沒(méi)有規(guī)則，那就先入為主
前面給出的三種方案，有點(diǎn)“理想化”了。現(xiàn)實(shí)中的情況其實(shí)是非?；靵y嘈雜的，沒(méi)有規(guī)則的。
比如在中午高峰期你去飯店吃飯，進(jìn)門后發(fā)現(xiàn)只剩一個(gè)空桌子了，你心想先去點(diǎn)餐吧，回來(lái)就坐這里吧。當(dāng)你點(diǎn)完餐回來(lái)后，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)被別人捷足先登了。
因?yàn)樽雷邮菍儆诠矃^(qū)域的物品，任何人都可以坐，那就只能誰(shuí)先搶到誰(shuí)坐。雖然你在人群中曾多看了它一眼，但它并不會(huì)記住你容顏。
解決方法就不用我說(shuō)了吧，讓一個(gè)人在那兒看著座位，其它人去點(diǎn)餐。這樣當(dāng)別人再來(lái)的時(shí)候，你就可以理直氣壯的說(shuō)，“不好意思，這個(gè)座位，我，已經(jīng)占了”。
我再次相信聰明的你已經(jīng)猜到了我要說(shuō)的東西了，沒(méi)錯(cuò)，就是(互斥)鎖。
回到程序里，如果公共區(qū)域(堆內(nèi)存)的數(shù)據(jù)，要被多個(gè)線程操作時(shí)，為了確保數(shù)據(jù)的安全(或一致)性，需要在數(shù)據(jù)旁邊放一把鎖，要想操作數(shù)據(jù)，先獲取鎖再說(shuō)吧。
假設(shè)一個(gè)線程來(lái)到數(shù)據(jù)跟前一看，發(fā)現(xiàn)鎖是空閑的，沒(méi)有人持有。于是它就拿到了這把鎖，然后開(kāi)始操作數(shù)據(jù)，干了一會(huì)活，累了，就去休息了。
這時(shí)，又來(lái)了一個(gè)線程，發(fā)現(xiàn)鎖被別人持有著，按照規(guī)定，它不能操作數(shù)據(jù)，因?yàn)樗鼰o(wú)法得到這把鎖。當(dāng)然，它可以選擇等待，或放棄，轉(zhuǎn)而去干別的。
***個(gè)線程之所以敢大膽的去睡覺(jué)，就是因?yàn)樗掷锬弥i呢，其它線程是不可能操作數(shù)據(jù)的。當(dāng)它回來(lái)后繼續(xù)把數(shù)據(jù)操作完，就可以把鎖給釋放了。鎖再次回到空閑狀態(tài)，其它線程就可以來(lái)?yè)屵@把鎖了。還是誰(shuí)先搶到鎖誰(shuí)操作數(shù)據(jù)。
- class ClassAssistant {
- double totalScore = 60;
- final Lock lock = new Lock();
- void addScore(double score) {
- lock.obtain();
- totalScore += score;
- lock.release();
- }
- void subScore(double score) {
- lock.obtain();
- totalScore -= score;
- lock.release();
- }
- }
假定一個(gè)班級(jí)的初始分?jǐn)?shù)是60分，這個(gè)班級(jí)抽出10名學(xué)生來(lái)同時(shí)參加10個(gè)不同的答題節(jié)目，每個(gè)學(xué)生答對(duì)一次為班級(jí)加上5分，答錯(cuò)一次減去5分。因?yàn)?0個(gè)學(xué)生一起進(jìn)行，所以這一定是一個(gè)并發(fā)情形。
因此加分和減分這兩個(gè)方法被并發(fā)的調(diào)用，它們共同操作總分?jǐn)?shù)。為了保證數(shù)據(jù)的一致性，需要在每次操作前先獲取鎖，操作完成后再釋放鎖。
相信世界充滿愛(ài)，即使被傷害
再回到一開(kāi)始的例子，假如你往地上扔1萬(wàn)塊錢，是不是一定會(huì)丟呢?這要看情況了，如果是在人來(lái)人往的都市，可以說(shuō)肯定會(huì)丟的。如果你跑到無(wú)人區(qū)扔地上，可以說(shuō)肯定不會(huì)丟。
可以看到，都是把東西無(wú)保護(hù)的放到公共區(qū)域里，結(jié)果卻相差很大。這說(shuō)明安全問(wèn)題還和公共區(qū)域的環(huán)境狀況有關(guān)系。
比如我把數(shù)據(jù)放到公共區(qū)域的堆內(nèi)存中，但是始終都只會(huì)有1個(gè)線程，也就是單線程模型，那這數(shù)據(jù)肯定是安全的。
再者說(shuō)，2個(gè)線程操作同一個(gè)數(shù)據(jù)和200個(gè)線程操作同一個(gè)數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)的安全概率是完全不一樣的。肯定線程越多數(shù)據(jù)不安全的概率越大，線程越少數(shù)據(jù)不安全的概率越小。取個(gè)極限情況，那就是只有1個(gè)線程，那不安全概率就是0，也就是安全的。
可能你又猜到了我想表達(dá)的內(nèi)容了，沒(méi)錯(cuò)，就是CAS?？赡艽蠹矣X(jué)得既然鎖可以解決問(wèn)題，那就用鎖得了，為啥又冒出了個(gè)CAS呢?
那是因?yàn)殒i的獲取和釋放是要花費(fèi)一定代價(jià)的，如果在線程數(shù)目特別少的時(shí)候，可能根本就不會(huì)有別的線程來(lái)操作數(shù)據(jù)，此時(shí)你還要獲取鎖和釋放鎖，可以說(shuō)是一種浪費(fèi)。
針對(duì)這種“地廣人稀”的情況，專門提出了一種方法，叫CAS(Compare And Swap)。就是在并發(fā)很小的情況下，數(shù)據(jù)被意外修改的概率很低，但是又存在這種可能性，此時(shí)就用CAS。
假如一個(gè)線程操作數(shù)據(jù)，干了一半活，累了，想要去休息。(貌似今天的線程體質(zhì)都不太好)。于是它記錄下當(dāng)前數(shù)據(jù)的狀態(tài)(就是數(shù)據(jù)的值)，回家睡覺(jué)了。
醒來(lái)后打算繼續(xù)接著干活，但是又擔(dān)心數(shù)據(jù)可能被修改了，于是就把睡覺(jué)前保存的數(shù)據(jù)狀態(tài)拿出來(lái)和現(xiàn)在的數(shù)據(jù)狀態(tài)比較一下，如果一樣，說(shuō)明自己在睡覺(jué)期間，數(shù)據(jù)沒(méi)有被人動(dòng)過(guò)(當(dāng)然也有可能是先被改成了其它，然后又改回來(lái)了，這就是ABA問(wèn)題了)，那就接著繼續(xù)干。如果不一樣，說(shuō)明數(shù)據(jù)已經(jīng)被修改了，那之前做的那些操作其實(shí)都白瞎了，就干脆放棄，從頭再重新開(kāi)始處理一遍。
所以CAS這種方式適用于并發(fā)量不高的情況，也就是數(shù)據(jù)被意外修改的可能性較小的情況。如果并發(fā)量很高的話，你的數(shù)據(jù)一定會(huì)被修改，每次都要放棄，然后從頭再來(lái)，這樣反而花費(fèi)的代價(jià)更大了，還不如直接加鎖呢。
這里再解釋下ABA問(wèn)題，假如你睡覺(jué)前數(shù)據(jù)是5，醒來(lái)后數(shù)據(jù)還是5，并不能肯定數(shù)據(jù)沒(méi)有被修改過(guò)?？赡軘?shù)據(jù)先被修改成8然后又改回到5，只是你不知道罷了。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，其實(shí)也很好解決，再加一個(gè)版本號(hào)字段就行了，并規(guī)定只要修改數(shù)據(jù)，必須使版本號(hào)加1。
這樣你睡覺(jué)前數(shù)據(jù)是5版本號(hào)是0，醒來(lái)后數(shù)據(jù)是5版本號(hào)是0，表明數(shù)據(jù)沒(méi)有被修改。如果數(shù)據(jù)是5版本號(hào)是2，表明數(shù)據(jù)被改動(dòng)了2次，先改為其它，然后又改回到5。
我再次相信聰明的你已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，這里的CAS其實(shí)就是樂(lè)觀鎖，上一種方案里的獲取鎖和釋放鎖其實(shí)就是悲觀鎖。樂(lè)觀鎖持樂(lè)觀態(tài)度，就是假設(shè)我的數(shù)據(jù)不會(huì)被意外修改，如果修改了，就放棄，從頭再來(lái)。悲觀鎖持悲觀態(tài)度，就是假設(shè)我的數(shù)據(jù)一定會(huì)被意外修改，那干脆直接加鎖得了。
分享題目：如果你這樣回答“什么是線程安全”，面試官都會(huì)對(duì)你刮目相看
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