Java并发编程(2)-线程安全之共享对象解读

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在上一篇关于线程安全概述的文章中提到过，编写正确的并发程序的关键在于对共享的、可变状态的变量进行访问管理，上一篇着重讲解使用同步来避免多个线程在同一时间访问同一数据；这一篇将讲解共享和发布对象的技术，使多个线程能够安全地访问他们。
本文内容均总结自《Java并发编程实践》第三章 共享对象 章节的内容 ，详情可以查阅该书。

一、变量可见性

1.1、共享对象的可见性

阅读下面的代码，运行main方法后，会出现什么结果？

public class ThreadTest{
	private static  boolean ready;
	private static  int i;
	
	public static void main(String[] args) {
		new MyThread().start();
		i = 1;
		ready = true;
	}
	
	public static class MyThread extends Thread{
		public void run(){
			if(!ready){
				Thread.yield();
			}
			System.out.println(i);
		}
	}
}

main方法是写入数据的线程，而MyThread是读取数据的线程，由于没有适当同步操作，两个线程之间发生了读写的分离，而通常来说，当读和写分离为两个线程时，不能保证读线程能及时地读取到其他线程写入的值，甚至说不可能。为了保证读写线程的值能共享，必须使用同步机制。

1.2 、volatile变量

锁不仅仅是关于同步和互斥的，也是关于内存可见的。为了保证所有的线程都能够看到其共享的、可变变量的最新值，读取和写入线程必须使用公共的锁进行同步。
Java语言也提供了其他的选择，即一种同步的弱形式：volatile变量。它确保变量的更新以可预见的方式告知其他线程。当一个域声明为volatile类型后，编译器与运行时会监视这个变量；volatile变量不会缓存在寄存器或者缓存在对其它处理器隐藏的地方。所以，读一个volatile类型的变量时，总会返回由某一线程所写入的最新值。

以下的数羊程序简单说明volatile变量。

private volatile boolean asleep;
	//是羊则数羊
	while(!asleep){
		countSomeSheep();
	}

volatile变量通常被当做标识完成、中断、状态的标记使用，如上面程序中的asleep标记。尽管volatile也可以用来标识其他类型的状态信息，但是必须十分小心。比如，volatile的语义不足以使自增查找（count++）原子化，除非你能保证只有一个线程对变量执行写查找。原子变量（atomic variable）提供“读-写-改”的原子查找的支持，而且常被用作更优的volatile变量。

只有满足了下面所有标准后才能使用volatile变量：

写入变量时并不依赖变量的当前值；或者能够保证只有单一的线程改变的值；

变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束；

访问变量时，没有其他的原因需要加锁。

二、变量发布与逸出

发布一个对象的意思是使它能够被当前范围之外的代码所使用。比如将一个引用存储到其他代码可以访问到的地方。

2.1、如何发布对象

最常见的发布对象方式是将对象的引用存储到公共静态域中。任何类和线程都能够看到这个域：

public static Set<Secret> knownSecrets;
	public void initialize(){
		knownSecrets = new HashSet<Secret>();
}

2.2、发布对象带来的this引用逸出

并发编程实践中，this引用逃逸（"this"escape）是指对象还没有构造完成，它的this引用就被发布出去了。这是危及到线程安全的，因为其他线程有可能通过这个逸出的引用访问到“初始化了一半”的对象(partially-constructed object)。这样就会出现某些线程中看到该对象的状态是没初始化完的状态，而在另外一些线程看到的却是已经初始化完的状态，这种不一致性是不确定的，程序也会因此而产生一些无法预知的并发错误。( 详情可阅读《Java并发编程实践》）

三、线程封闭

访问共享的、可变的数据要求使用同步。一个可以避免同步的方式就是不共享数据。如果数据仅在单线程中被访问到，就不需要任何同步。线程封闭（Thread confinement）技术是在实现线程安全的最简单的方式之一。当对象封闭在一个线程中时，这种做法会自动成为线程安全的。

3.1、Ad-hoc 线程限制

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。事实上，对线程封闭对象（例如，GUI应用程序中的可视化组件或数据模型等）的引用通常保存在公有变量中。（详情可阅读《Java并发编程实践》）

3.2、使用 ThreadLocal

一种维护线程限制的更加规范的方式是使用TheadLocal，它允许将每个线程与持有数值的对象关联在一起。ThreadLocal提供了get和set访问器，为每个使用它的线程维护一份单独的拷贝。所以get总是返回由当前执行线程通过set设置的最新值。(详情可阅读 http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920407.html)

四、如何安全地共享对象

为了安全地发布对象，对象的引用以及对象的状态必须同时对其他线程可见。一个正确创建的对象可以通过下列条件安全地发布：

通过静态初始化器初始化对象的引用；

将它的引用存储到volatile域或AtomicReference；

将它的引用存储到正确创建的对象的final域中；

将它的引用存储到由锁保护的域中。

在并发程序中，使用和共享对象的一些有效策略：

线程限制：一个线程限制的对象，通过限制在线程中，而被线程独占，并且只能被占有它的线程修改。

共享只读：一个共享的只读对象，在没有额外同步的情况下，可以被多个线程兵法地访问，但是任何线程都不能修改它。

共享线程安全：一个线程安全的对象在内部进行同步，所以其他线程无须额外同步，就可以通过公共接口随意地访问它。

被守护的：一个被守护的对象只能通过特定的锁来访问。