关于JAVA中的线程安全

最新推荐文章于 2022-03-22 21:33:08 发布
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分类专栏： J2SE/J2EE 文章标签： java servlet scalability thread performance tapestry

 原理：

    首先要明白线程的工作原理，jvm有一个main   memory，而每个线程有自己的working   memory，一个线程对一个variable进行操作时，都要在自己的working   memory里面建立一个copy，操作完之后再写入main   memory。多个线程同时操作同一个variable，就可能会出现不可预知的结果。根据上面的解释，很容易想出相应的scenario。  
  而用synchronized的关键是建立一个monitor，这个monitor可以是要修改的variable也可以其他你认为合适的object比如method，然后通过给这个monitor加锁来实现线程安全，每个线程在获得这个锁之后，要执行完   load到workingmemory   －>   use&assign   －>   store到mainmemory   的过程，才会释放它得到的锁。这样就实现了所谓的线程安全。

 

举例 ：

比如一个 ArrayList 类，在添加一个元素的时候，它可能会有两步来完成：1. 在 Items[Size] 的位置存放此元素；2. 增大 Size 的值。

在单线程运行的情况下，如果 Size = 0，添加一个元素后，此元素在位置 0，而且 Size=1；
而如果是在多线程情况下，比如有两个线程，线程 A 先将元素存放在位置 0。但是此时 CPU 调度线程A暂停，线程 B 得到运行的机会。线程B也向此 ArrayList 添加元素，因为此时 Size 仍然等于 0 （注意哦，我们假设的是添加一个元素是要两个步骤哦，而线程A仅仅完成了步骤1），所以线程B也将元素存放在位置0。然后线程A和线程B都继续运行，都增加 Size 的值。
那好，现在我们来看看 ArrayList 的情况，元素实际上只有一个，存放在位置 0，而 Size 却等于 2。这就是“线程不安全”了。

 

Java线程安全系列（1）--Servlet线程安全

关键字: servlet 线程安全


概述
在探讨java线程安全前，让我们先简要介绍一下Java语言。

任何语言，如C++，C#，Java，它们都有相通之处，特别是语法，但如果有人问你，Java语言的核心是什么？类库？关键字？语法？似乎都不是。Java语言的核心，也就是Sun始终不愿意开源的东西：Java虚拟机的实现（不过sun公开了其Java虚拟机规范），也就有了BEA的JRockit，IBM的Jikes，Sun的Hotspot。

Java的核心有两点，Java类加载（Java Class Loader）和Java内存管理，它们具体体现在Java类库的以下几个类：

java.lang.ClassLoader（java.lang.Class）：我们调用的类，包括其接口和超类，import的类是怎么被Java虚拟机载入的？为什么static的字段在servlet容器里面可以一直生存下去（Spring容器中）？

java.lang.Thread(java.lang.ThreadLocal)：垃圾回收是怎么进行的（垃圾回收线程）？我们的程序是怎么退出的？

java.lang.refelect.Proxy（java.lang.refelect.Method）：为什么Tomcat、Tapestry、Webwork、Spring等容器和框架可以通过配置文件来调用我们写的类？Servlet规范、JSF规范、EJB规范、JDBC规范究竟是怎么回事？为什么它们几乎都是一些接口，而不是具体类？


Servlet线程安全

在Java的server side开发过程中，线程安全（Thread Safe）是一个尤为突出的问题。因为容器，如Servlet、EJB等一般都是多线程运行的。虽然在开发过程中，我们一般不考虑这些问题，但诊断问题（Robust），程序优化（Performance），我们必须深入它们。

什么是线程安全？

引用
Thread-safe describes a program portion or routine that can be called from multiple programming threads without unwanted interaction between the threads。


在Java里，线程安全一般体现在两个方面：

1、多个thread对同一个java实例的访问（read和modify）不会相互干扰，它主要体现在关键字synchronized。如ArrayList和Vector，HashMap和Hashtable（后者每个方法前都有synchronized关键字）。如果你在interator一个List对象时，其它线程remove一个element，问题就出现了。

2、每个线程都有自己的字段，而不会在多个线程之间共享。它主要体现在java.lang.ThreadLocal类，而没有Java关键字支持，如像static、transient那样。

一个普遍的疑问，我们的Servlet中能够像JavaBean那样declare instance或static字段吗？如果不可以？会引发什么问题？

答案是：不可以。我们下面以实例讲解：

首先，我们写一个普通的Servlet，里面有instance字段count：


Java代码 复制代码
  1. public class SimpleServlet extends HttpServlet   
  2.   
  3. {   
  4.        // A variable that is NOT thread-safe!   
  5.        private int counter = 0;   
  6.        public void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException   
  7.        {   
  8.               doPost(req, resp);   
  9.        }   
  10.   
  11.        public void doPost(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException   
  12.        {   
  13.               resp.getWriter().println("<HTML><BODY>");   
  14.   
  15.               resp.getWriter().println(this + " ==> ");   
  16.   
  17.               resp.getWriter().println(Thread.currentThread() + ": <br>");   
  18.               for (int c = 0; c < 10; c++)   
  19.               {   
  20.                      resp.getWriter().println("Counter = " + counter + "<BR>");   
  21.                      try  
  22.                      {   
  23.                             Thread.sleep((long) Math.random() * 1000);   
  24.                             counter++;   
  25.                      }   
  26.                      catch (InterruptedException exc)   
  27.                      {   
  28.                      }   
  29.               }   
  30.               resp.getWriter().println("</BODY></HTML>");   
  31.        }   
  32. }  
public class SimpleServlet extends HttpServlet

{
       // A variable that is NOT thread-safe!
       private int counter = 0;
       public void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException
       {
              doPost(req, resp);
       }

       public void doPost(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException
       {
              resp.getWriter().println("<HTML><BODY>");

              resp.getWriter().println(this + " ==> ");

              resp.getWriter().println(Thread.currentThread() + ": <br>");
              for (int c = 0; c < 10; c++)
              {
                     resp.getWriter().println("Counter = " + counter + "<BR>");
                     try
                     {
                            Thread.sleep((long) Math.random() * 1000);
                            counter++;
                     }
                     catch (InterruptedException exc)
                     {
                     }
              }
              resp.getWriter().println("</BODY></HTML>");
       }
}


然后，我们通过一个html页面向该servlet发出三次请求：

Java代码 复制代码
  1. <HTML>   
  2.   
  3. <BODY>   
  4.   
  5. <TABLE>   
  6.     <TR>   
  7.         <TD><IFRAME src="./SimpleServlet" name="servlet1" height="200%"> </IFRAME></TD>   
  8.     </TR>   
  9.     <TR>   
  10.         <TD><IFRAME src="./SimpleServlet" name="servlet2" height="200%"> </IFRAME></TD>   
  11.     </TR>   
  12.     <TR>   
  13.         <TD><IFRAME src="./SimpleServlet" name="servlet3" height="200%"> </IFRAME></TD>   
  14.     </TR>   
  15. </TABLE>   
  16. </BODY>   
  17. </HTML>  
<HTML>

<BODY>

<TABLE>
    <TR>
        <TD><IFRAME src="./SimpleServlet" name="servlet1" height="200%"> </IFRAME></TD>
    </TR>
    <TR>
        <TD><IFRAME src="./SimpleServlet" name="servlet2" height="200%"> </IFRAME></TD>
    </TR>
    <TR>
        <TD><IFRAME src="./SimpleServlet" name="servlet3" height="200%"> </IFRAME></TD>
    </TR>
</TABLE>
</BODY>
</HTML>




刷新页面几次后，产生的结果为：

com.zwchen.servlet.SimpleServlet@11e1bbf ==> Thread[http-8081-Processor23,5,main]:
Counter = 60
Counter = 61
Counter = 62
Counter = 65
Counter = 68
Counter = 71
Counter = 74
Counter = 77
Counter = 80
Counter = 83



com.zwchen.servlet.SimpleServlet@11e1bbf ==> Thread[http-8081-Processor22,5,main]:
Counter = 61
Counter = 63
Counter = 66
Counter = 69
Counter = 72
Counter = 75
Counter = 78
Counter = 81
Counter = 84
Counter = 87



com.zwchen.servlet.SimpleServlet@11e1bbf ==> Thread[http-8081-Processor24,5,main]:
Counter = 61
Counter = 64
Counter = 67
Counter = 70
Counter = 73
Counter = 76
Counter = 79
Counter = 82
Counter = 85
Counter = 88

我们会发现三点：

servlet只产生了一个Servlet对象，因为输出this时，其hashcode都一样，

servlet在不同的线程（线程池）中运行，如http-8081-Processor22，http-8081-Processor23

Count被这三个doGet方法共享，并且并行修改。



上面的结果，违反了线程安全的两个方面。

那么，我们怎样保证按照我们期望的结果运行呢？首先，我想保证产生的count都是顺序执行的。

我们将Servlet代码重构如下：



Java代码 复制代码
  1. public class SimpleServlet extends HttpServlet   
  2.   
  3. {   
  4.   
  5.   //A variable that is NOT thread-safe!   
  6.   
  7.   private int counter = 0;   
  8.   
  9.   private String mutex = "";   
  10.   
  11.     
  12.   
  13.   public void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp)   
  14.   
  15.     throws ServletException, IOException   
  16. {   
  17.   
  18.     doPost(req, resp);   
  19.   
  20.   }   
  21.   
  22.   public void doPost(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp)   
  23.   
  24.     throws ServletException, IOException   
  25.   
  26.   {   
  27.   
  28.     resp.getWriter().println("<HTML><BODY>");   
  29.   
  30.     resp.getWriter().println(this + ": <br>");   
  31.   
  32.     synchronized (mutex)   
  33.   
  34.     {       
  35.       for (int c = 0; c < 10; c++)   
  36.       {   
  37.         resp.getWriter().println("Counter = " + counter + "<BR>");   
  38.         try  
  39.           {   
  40.   
  41.           Thread.sleep((long) Math.random() * 1000);   
  42.           counter++;   
  43.         }   
  44.         catch (InterruptedException exc) { }   
  45.       }   
  46.     }   
  47.     resp.getWriter().println("</BODY></HTML>");   
  48.   }   
  49.   
  50. }  
public class SimpleServlet extends HttpServlet

{

  //A variable that is NOT thread-safe!

  private int counter = 0;

  private String mutex = "";

 

  public void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp)

    throws ServletException, IOException
{

    doPost(req, resp);

  }

  public void doPost(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp)

    throws ServletException, IOException

  {

    resp.getWriter().println("<HTML><BODY>");

    resp.getWriter().println(this + ": <br>");

    synchronized (mutex)

    {    
      for (int c = 0; c < 10; c++)
      {
        resp.getWriter().println("Counter = " + counter + "<BR>");
        try
          {

          Thread.sleep((long) Math.random() * 1000);
          counter++;
        }
        catch (InterruptedException exc) { }
      }
    }
    resp.getWriter().println("</BODY></HTML>");
  }

}



我们的输出结果为：

com.zwchen.servlet.SimpleServlet@109da93:
Counter = 0
Counter = 1
Counter = 2
Counter = 3
Counter = 4
Counter = 5
Counter = 6
Counter = 7
Counter = 8
Counter = 9


com.zwchen.servlet.SimpleServlet@109da93:
Counter = 10
Counter = 11
Counter = 12
Counter = 13
Counter = 14
Counter = 15
Counter = 16
Counter = 17
Counter = 18
Counter = 19

com.zwchen.servlet.SimpleServlet@109da93:
Counter = 20
Counter = 21
Counter = 22
Counter = 23
Counter = 24
Counter = 25
Counter = 26
Counter = 27
Counter = 28
Counter = 29


这符合了我们的要求，输出都是按顺序的，这正式synchronized的含义。

附带说一下，我现在synchronized的是一个字符串变量mutex，不是this对象，这主要是从performance和Scalability考虑。Synchronized用在this对象上，会带来严重的可伸缩性的问题（Scalability），所有的并发请求都要排队！
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