高併發下的執行緒安全實現——互斥同步
好久沒來csdn上寫部落格了，去年（16年）來到杭州後，忙得沉澱的時間都沒有了，這段時間空閒下來，慢慢補上！
執行緒允許多個活動同時進行，併發下有很多東西可能出錯，比如資料錯誤，程式執行異常。很多時候這些錯誤以及異常在測試中都很難重現，他們可能是間歇性的，且與時間相關，程式的行為在不同的VM上可能表現根本不同。所以設計一個執行緒安全的程式就顯得尤為重要，尤其是在高併發環境下。
執行緒安全實現的方法主要有：互斥同步、非阻塞同步（CAS）、執行緒區域性變數（threadLocal）、wait和notify、java.util.concurrent併發工具包、volatile保證變數的執行緒安全等。由於CAS存在ABA問題，以及wait和notify在java1.5版本後，java平臺就提供了java.util.concurrent來完成以前必須在wait和notify上手寫程式碼來完成的各項工作，所以執行緒安全這一系列文章我們主要討論互斥同步、執行緒區域性變數、java.util.concurrent以及volatile這幾種執行緒安全實現的方法。接下來每一篇文章討論一種實現方法，對於沒有討論的方法讀者可以自己去研究。不過這裡還是要提醒一下，如果一定要使用wait和notify，那麼應該始終使用wait迴圈模式來呼叫wait方法，使用notifyAll來代替notify，具體原因讀者可參考effective java，本文對此不做深入討論。
在java中，一般使用synchronized關鍵字來達到互斥同步的效果。Synchronized關鍵字經過編譯後，會在同步塊的前後分別形成monitorenter和monitorexit這兩個位元組碼指令，這兩個位元組碼都需要一個reference型別的引數來指明要鎖定和解鎖的物件。如果java程式中synchronized明確指定了物件引數，那就是這個物件的reference；如果沒有明確指定，那就根據synchronized修飾的是例項方法還是類方法，去取對應的物件例項或類物件來作為鎖物件。雖然synchronized可以保證在同一時刻，只有同一個執行緒可以訪問某一方法或者程式碼塊，但是鎖機制每次阻塞或喚醒一個執行緒的時候，都需要作業系統來完成，這裡就涉及到系統狀態轉換的問題（從使用者態轉換到核心態），這個過程會耗費CPU很多的時間。所以使用加鎖同步機制來處理多執行緒安全的問題，這個代價還是比較大的，需要程式慎密地分析什麼時候對變數進行讀寫，什麼時候需要鎖定某個物件，什麼時候釋放物件鎖等繁雜的問題。
我們來分析一下懶漢單例模式的多執行緒安全：
public class LiuManSingleton {
private static LiuManSingleton instance = null;
private LiuManSingleton(){}
public static LiuManSingleton getInstance() {
if(instance == null){//懶漢式
instance = new LiuManSingleton();
}
return instance;
}
}這裡實現了懶漢單例模式，但是這個實現並不是執行緒安全的，我們編寫測試用例來測試一下：
@Test
public void test01(){
ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool(); // 建立一個執行緒池
for (int i = 0; i < 10; i++) {
Runnable runnable = new Runnable() {
public void run() {
try {
System.out.println(LiuManSingleton.getInstance().hashCode());
} catch 執行結果如下：
538975307
88071440
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可以看到，這個單例模式是執行緒非安全的，出現這個問題，是由於多個執行緒可以同時進入getInstance()方法，那麼只需要對該方法進行synchronized的鎖同步即可：
public class LiuManSingleton {
private static LiuManSingleton instance = null;
private LiuManSingleton(){}
public synchronized static LiuManSingleton getInstance() {
if(instance == null){//懶漢式
instance = new LiuManSingleton();
}
return instance;
}
}再次呼叫上面的測試用例，執行結果如下:
396953361
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可以看到問題已經解決了，但是這種實現方式的執行效率會很低。同步方法效率低，那我們考慮針對某些重要的程式碼進行單獨的同步，而不是全部進行同步：
public class LiuManSingleton {
private static LiuManSingleton instance = null;
private LiuManSingleton(){}
public static LiuManSingleton getInstance() {
if(instance == null){//懶漢式
synchronized (LiuManSingleton.class) {
instance = new LiuManSingleton();
}
}
return instance;
}
}執行結果如下：
2036037666
396953361
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從結果來看，這個單例模式雖然高效，但是並不是執行緒安全的，這是因為一開始多個執行緒都進入到了if判斷為true的程式碼塊裡面，之後才會發生執行緒阻塞，這個時候就會建立重複的例項。所以為了確保例項是單例的，我們需要雙重判斷：
public class LiuManSingleton {
private static LiuManSingleton instance = null;
private LiuManSingleton(){}
public static LiuManSingleton getInstance() {
if(instance == null){//懶漢式
synchronized (LiuManSingleton.class) {
if(null == instance){
instance = new LiuManSingleton();
}
}
}
return instance;
}
}執行結果如下：
1431642599
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1431642599
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1431642599
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從執行結果來看，該中方法保證了多執行緒併發下的執行緒安全性。在同步程式碼塊中使用二次檢查，以保證其不被重複例項化。這種實現方式既保證了其高效性，也保證了執行緒安全性。所以在使用synchronized的時候我們需要慎重分析程式的設計，在實現執行緒安全的同時，使程式碼效率最大化。