Java并发编程实战学习笔记一

1.线程允许在同一个进程中同事存在多个程序控制流。线程会共享进程范围内的资源，例如内存句柄和文件句柄，但每个线程都有各自的程序计数器（Program Counter）、栈及局部变量等。

安全性的含义是“永远不发生糟糕的事情”，而活跃性则关注另一个目标，即“某件正确的事情最终会发生”。当某个操作无法继续执行下去的时候，就会发生活跃性问题。在串行程序中，活跃性问题的形式之一就是无意总造成的无线循环，从而使循环之后的代码无法得到执行。

在多线程程序中，当线程调度器临时挂起活跃线程并转而运行另一个线程时，就会频繁出现上下文切换操作（Context Switch），这种操作将带来极大的开销：保存和恢复执行上下文，丢失局部性，并且CPU时间将更多地花在线程调度而不是线程运行上。当线程共享数据时，必须使用同步机制，而这些机制往往会抑制某些编译器优化，使内存缓存区中的数据无效，以及增加共享内存总线的同步流量。

框架通过在框架线程中调用应用程序代码将并发性引入到程序中。在代码中将不可避免地访问应用程序状态，因此所有访问这些状态的代码路径都必须是线程安全的。

RMI使代码能够调用在其他JVM中运行的对象。当通过RMI调用某个远程方法时，传递给方法的参数必须被打包（也称为列集【Marshaled】）到一个字节流中，通过网络传输给远程JVM，然后由远程JVM拆包（或者称为散集【Unmarshaled】）并传递给远程方法。

远程对象必须注意两个线程安全性问题：正确地协同在多个对象中共享的状态，以及对远程对象本身状态的访问（由于同一个对象可能会在多个线程中被同时访问）。与Servlet相同，RMI对象应该做好被多个线程同时调用的准备，并且必须确保它们自身的线程安全性。

2.从非正式的意义上来说，对象的状态是指存储在状态变量（例如实例或静态域）中的数据。对象的状态可能包括其他依赖对象的域。在对象的状态中包含了任何可能影响其外部可见行为的数据。

“共享”意味着变量可以由多个线程同时访问，而“可变”则意味着变量的值在其生命周期内可以发生变化。

一个对象是否需要是线程安全的，取决于它是否被多个线程访问。这指的是在程序中访问对象的方式，而不是对象要实现的功能。要使得对象是线程安全的，需要采用同步机制来协同对象可变状态的访问。如果无法实现协同，那么可能会导致数据破坏以及其他不该出现的结果。

Java中的主要同步机制是关键字synchronized，它提供了一种独占的加锁方式，但“同步”这个术语还包括volatile类型的变量，显式锁（Explicit Lock）以及原子变量。

如果当多个线程访问同一个可变的状态变量时没有使用合适的同步，那么程序就会出现错误。有三种方式可以修复这个问题：

• 不在线程之间共享该状态变量。
• 将状态变量修改为不可变的变量。
• 在访问状态变量时使用同步。

在任何情况中，只有当类中仅包含自己的状态时，线程安全类才是有意义的。线程安全性是一个在代码上使用的术语，但它只是与状态相关的，因此只能应用于封装其状态的整个代码，这可能是一个对象，也可能是整个程序。

3.正确性的含义是，某个类的行为与其规范完全一致。在良好的规范中通常会定义各种不变性（Invariant）来约束对象的状态，以及定义各种后验条件（Postcondition）来描述对象操作的结果。

当多个线程访问某个类时，不管运行时环境采用何种调度方式或者这些线程将如何交替执行，并且在主调代码中不需要任何额外的同步或协同，这个类都能表现出正确的行为，那么这个类是线程安全的。

由于线程访问无状态对象的行为并不会影响其他线程中操作的正确性，因此无状态对象是线程安全的。

在并发编程中，这种由于不恰当的执行时序而出现不正确的结果是一种非常重要的情况，它有一个正式的名字：竞态条件（Race Condition）。

竞态条件这个术语和容易与另一个相关术语“数据竞争（Data Race）”想混淆。数据竞争是指，如果在访问共享的非final类型的域时没有采用同步来进行协同，那么就会出现数据竞争。当一个线程写入一个变量而另一个线程接下来读取这个变量，或者读取一个之前由另一个线程写入的变量时，并且在这两个线程之间没有使用同步，那么就可能出现数据竞争。在Java内存模型中，如果在代码中存在数据竞争，那么这段代码就没有确定的语义。并非所有的竞态条件都是数据竞争，同样并非所有的数据竞争都是竞态条件，但二者都可能使并发程序失败。

要避免竞态条件问题，就必须在某个线程修改该变量时，通过某种方式防止其他线程使用这个变量，从而确保其他线程只能再修改操作完成之前或之后读取和修改状态，而不是在修改状态的过程中。

假定有两个操作A和B，如果从执行A的线程来看，当另一个线程执行B时，要么将B全部执行完，要么完全不执行B，那么A和B对彼此来说是原子的。原子操作是指，对于访问同一个状态的所有操作（包括该操作本身）来说，这个操作是一个以原子方式执行的操作。

在java.util.concurrent.atomic包中包含了一些原子变量类，用于实现在数值和对象引用上的原子状态转换。

当在无状态的类中添加一个状态时，如果该状态完全由线程安全的对象来管理，那么这个类仍然是线程安全的。

在实际情况中，应尽可能地使用现有的线程安全对象（如AtomicLong）来管理类的状态。与非线程安全的对象相比，判断线程安全对象的可能状态及其状态转换情况要更为容易，从而也更容易维护和验证线程安全性。

要保持状态的一致性，就需要在单个原子操作中更细所有相关的状态变量。

4.Java提供了一种内置的锁机制来支持原子性：同步代码块（Synchronized Block）。同步代码块包括两部分：一个作为锁的对象引用，一个作为由这个锁保护的代码块。以关键字synchronized来修饰的方法就是一种横跨整个方法体的同步代码块，其中该同步代码块的锁就是方法调用所在的对象。静态的synchronized方法以Class对象作为锁。

synchronized(lock)

{

//访问或修改由锁保护的共享状态

}

每个Java对象都可以用作一个实现同步的锁，这些锁被称为内置锁（Intrinsic Lock）或监视器锁（Monitor Lock）。线程在进入同步代码块之前会自动获得锁，并且在退出同步代码块时自动释放锁，而无论是通过正常的控制路径退出，还是通过从代码块中抛出异常退出。获得内置锁的唯一途径就是进入由这个锁保护的同步代码块或方法。

任何一个执行同步代码块的线程，都不可能看到有其他线程正在执行由同一个锁保护的同步代码块。

当某个线程请求一个由其他线程持有的锁时，发出请求的线程就会阻塞。然而，由于内置锁是可重入的，因此如果某个线程试图获得一个已经由它自己持有的锁，那么这个请求就会成功。“重入”意味着获取锁的操作的粒度是“线程”，而不是“调用”。重入的一种实现方法是，为每个所关联一个获取计数值和一个所有者线程。当计数值为0时，这个锁就被认为是没有被任何线程持有。当线程请求一个未被持有的锁时，JVM将记下锁的持有者，并且将获取计数值置为1。如果同一个线程再次获取这个锁，计数值将递增，而当线程退出同步代码块时，计数器就相应地递减。当计数值为0时，这个锁将被释放。

5.由于锁能使其保护的代码路径以串行形式来访问，因此可以通过锁来构造一些协议以实现对共享状态的独占访问。只要始终遵循这些协议，就能确保状态的一致性。

如果在复合操作的执行过程中持有一个锁，那么会使复合操作成为原子操作。然而，仅仅将复合操作封装到一个同步代码块中是不够的。如果用同步来协调对某个变量的访问，那么在访问这个变量的所有位置上都需要使用同步。而且，当使用锁来协调对某个变量的访问时，在访问变量的所有位置上都要使用同一个锁。

对于可能被多个线程同时访问的可变状态变量，在访问它时都需要持有同一个锁，在这种情况下，我们称状态变量是由这个锁保护的。

当获取与对象关联的锁时，并不能阻止其他线程访问该对象，某个对象在获得对象的锁之后，只能阻止其他线程获得同一个锁。之所以每个对象都要有一个内置锁，只是为了免去显式地创建锁对象。

每个共享的和可变的变量都应该只由一个锁来保护，从而使维护人员知道是哪一个锁。

一种常见的加锁约定是，将所有的可变状态都封装在对象内部，并通过对象的内置锁对所有访问可变状态的代码路径进行同步，使得在该对象上不会发生并发访问。

要确保同步代码块不要过小，并且不要将本应是源自的操作拆分到多个同步代码块中。应该尽量将不影响共享状态且执行时间较长的操作从同步代码中分离出去，从而在这些操作的执行过程中，其他线程可以访问共享状态。

要判断同步代码块的合理大小，需要在各种设计需求之间进行权衡，包括安全性（这个需求必须得到满足）、简单性和性能。

通常，在简单性与性能之间存在着相互制约因素。当实现某个同步策略时，一定不要盲目地为了性能而牺牲简单性（这可能会破坏安全性）。

当执行时间较长的计算或者可能无法快速完成的操作时（例如，网络I/O或控制台I/O），一定不要持有锁。

6.在没有同步的情况下，编译器、处理器以及运行时等都可能对操作的执行顺序进行一些意想不到的调整。在缺乏足够同步的多线程程序中，要想对内存操作的执行顺序进行判断，几乎无法得出正确的结论。

当线程在没有同步的情况下读取变量时，可能会得到一个失效值，但至少这个值是由之前某个线程设置的值，而不是一个随机值。这种安全性保证也被称为最低安全性（out-of-thin-air-safety）。

Java内存模型要求，变量的读取操作和写入操作都必须是原子操作，但对于非volatile类型的long和double变量，JVM允许将64位的读操作或写操作分解为两个32位操作。当读取一个非volatile类型的long变量时，如果对该变量的读操作和写操作在不同的线程中执行，那么很可能会读取到某个值的高32位和另一个值的低32位。因此，即使不考虑失效数据问题，在多线程程序中使用共享且可变的long和double等类型的变量也是不安全的，除非用关键字volatile来声明它们，或者用锁保护起来。

加锁的含义不仅仅局限于互斥行为，还包括内存可见性。为了确保所有线程都能看到共享变量的最新值，所有支线读操作或者写操作的线程都必须在同一个锁上同步。

7.Java语言提供了一种稍弱的同步机制，即volatile变量，用来确保将变量的更新操作通知到其他线程。当把变量声明为volatile类型后，编译器与运行时都会注意到这个变量是共享的，因此不会将该变量上的操作与其他内存操作仪器重排序。volatile变量不会被缓存在寄存器或者对其他处理器不可见的地方，因此在读取volatile类型的变量时总会返回最新写入的值。

在访问volatile变量时不会执行加锁操作，因此也就不会使执行线程阻塞，因此volatile变量是一种比synchronized关键字更轻量级的同步机制。

从内存可见性的角度来看，写入volatile变量相当于退出同步代码块，而读取volatile变量就相当于进入同步代码块。

仅当volatile变量能简化代码的实现以及对同步策略的验证时，才应该使用它们。如果在验证正确性时需要对可见性进行复杂的判断，那么就不要使用volatile变量。volatile变量的正确使用方式包括：确保它们自身状态的可见性，确保它们所引用对象的状态可见性，以及标识一些重要的程序生命周期事件的发生。

调试小提示：

对于服务器应用程序，无论在开发阶段还是测试阶段，当启动JVM时一定都要指定-server命令行选项。server模式的JVM将比client的JVM进行更多的优化，例如将循环中未被修改的变量提升到循环外部，因此在开发环境（client模式JVM）中能正确运行的代码，可能会在部署环境（server模式的JVM）中运行失败。

volatile变量通常用做某个操作完成、发生中断或者状态的标志。volatile的语义不足以确保递增操作的原子性，除非你能确保只有一个线程对变量执行写操作。

加锁机制既可以确保可见性又可以确保原子性，而volatile变量只能确保可见性。

当且仅当满足以下所有条件时，才应该使用volatile变量：

• 对变量的写入操作不依赖变量的当前值，或者你能确保只有单个线程更新变量的值。
• 该变量不会与其他状态变量一起纳入不变性条件中。
• 在访问变量时不需要加锁。

8.“发布（Publish）”一个对象的意思是指，使对象能够在当前作用域之外的代码中使用。

当某个不应该发布的对象被发布时，这种情况就被称为逸出（Escape）。

发布对象的最简单方法是将对象的引用保存到一个公有的静态变量中，以便任何类和线程都能看见该对象。

当发布一个对象时，在该对象的非私有域中引用的所有对象同样会被发布。一般来说，如果一个已经发布的对象能够通过非私有的变量引用和方法调用到达其他的对象，那么这些对象也会被发布。

当耨个对象逸出后，你必须假设有某个类或线程可能会误用该对象。这正是需要使用封装的最主要原因：封装能够使得对程序的正确性进行分析变得可能，并使得无意中破坏设计约束条件变得更难。

最后一种发布对象或其内部状态的机制就是发布一个内部的类实例。

当从对象的构造函数中发布对象时，只是发布了一个尚未构造完成的对象。即使发布对象的语句位于构造函数的最后一行也是如此。如果this饮用在构造过程中逸出，那么这种对象就被认为是不正确的构造。

不要在构造过程中使this引用逸出。

在狗仔过程中使this引用逸出的一个常见错误是，在构造函数中启动一个线程。当对象在其构造函数中创建一个线程时，无论是显式创建（通过将它传给构造函数）还是隐式创建（由于Thread或Runnable是该对象的一个内部类）,this引用都会被新创建的线程共享。

如果想在构造函数中注册一个事件监听器或启动线程，那么可以使用一个私有的构造函数和一个公共的工厂方法（Factory Method），从而避免不正确的构造过程。

具体来说，只有当构造函数返回时，this引用才应该从线程中逸出。构造函数可以将this引用保存到某个地方，只要其他线程不会在构造函数完成之前使用它。

9.当访问共享的可变数据时，通常需要使用同步。一种避免使用同步的方式就是不共享数据。如果仅在单线程内访问数据，就不需要同步。这种技术被称为线程封闭（Thread Confinement），它是实现线程安全性的最简单方式之一。当某个对象封闭在一个线程中时，这种用法将自动实现线程安全性，即使被封闭的对象本身不是线程安全的。

在Java语言中并没有强制规定某个变量必须由锁来保护，同样在Java语言中也无法强制将对象封闭在某个线程中。线程封闭是在程序设计中的一个考虑因素，必须在程序中实现。Java语言及其核心库提供了一些机制来帮助维持线程封闭性，例如局部变量和ThreadLocal类，但即便如此，程序员仍然需要负责确保封闭在线程中的对象不会从线程中逸出。

10.Ad-hoc线程封闭是指，维护线程封闭性的职责完全由程序实现来承担。Ad-hoc线程封闭是非常脆弱的，因为没有任何一种语言特性，例如可见性修饰符或局部变量，能将对象封闭到目标线程上。

在volatile变量上存在一种特殊的线程封闭。只要你能确保只有单个线程对共享的volatile变量执行写入操作，那么就可以安全地在这些共享的volatile变量上执行“读取-修改-写入”的操作。在这种情况下，相当于将修改操作封闭在单个线程中以防止发生竞态条件，并且volatile变量的可见性保证还确保了其他线程能看到最新的值。