深入理解并发编程与线程安全

深入理解并发编程与线程安全

并发编程是现代软件开发中不可或缺的一部分，它能够充分利用多核处理器的计算能力，提升程序执行效率。然而，随之而来的线程安全问题也给开发者带来了不小的挑战。本文将深入探讨并发编程的核心概念、Java内存模型的工作原理，以及如何使用Java提供的关键字和工具类来确保线程安全。

一、并发编程的意义与挑战

并发编程的意义在于充分利用处理器的每一个核，以达到最高的处理性能，从而使程序运行得更快。为了提高计算速率，处理器进行了多项优化：

1. 硬件升级：为了平衡CPU内高速存储器和内存之间的速率差异，引入了多级高速缓存的传统硬件内存架构。这虽然提升了整体性能，但也带来了数据一致性问题，因为数据同时存在于高速缓存和主内存中。

2. 处理器优化：主要包含编译器重排序、指令级重排序、内存系统重排序。通过单线程语义、指令级并行重叠执行、缓存区加载存储等重排序方式，减少执行指令，提高整体运行速度。但在多线程环境下，这些优化可能导致数据依赖性问题，影响程序执行结果。

并发编程虽然带来了巨大的性能提升，但编写线程安全且高效的代码需要仔细管理可变共享状态的操作访问，考虑内存一致性、处理器优化和指令重排序等问题。例如，多个线程对同一对象进行操作时，可能会出现值被更改或不同步的情况，导致计算结果与预期不符。因此，如何在并发编程中保证线程安全是一个重要的挑战。

要解决线程安全问题，需要明确两个关键点：

1. 线程之间如何通信，即线程间以何种机制交换信息。
2. 线程之间如何同步，即程序如何控制不同线程间的执行顺序。

二、Java并发编程

Java采用共享内存模型，线程间的通信对程序员完全透明。为了平衡内存可见性和计算性能，Java定义了Java内存模型（JMM）。

2.1 Java内存模型

JMM通过制定线程间通信规范，提供内存可见性保证。其结构如下图所示：

JMM规定：

• 所有变量都存储在主内存中。
• 每个线程都有一个私有的本地内存，存储该线程使用的共享变量副本。
• 线程对变量的所有操作都必须在本地内存中进行，不能直接读写主内存。
• 不同线程之间无法直接访问对方的本地内存。

具体实现上定义了八种操作：

1. lock：作用于主内存，把变量标识为线程独占状态。
2. unlock：作用于主内存，解除独占状态。
3. read：作用于主内存，把变量值传输到线程的工作内存。
4. load：作用于工作内存，把read操作传过来的变量值放入工作内存的变量副本中。
5. use：作用于工作内存，把变量值传给执行引擎。
6. assign：作用于工作内存，把执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量。
7. store：作用于工作内存的变量，把变量值传送到主内存中。
8. write：作用于主内存的变量，把store操作传来的变量值放入主内存的变量中。

这些操作遵循以下原则：

• 不允许read和load、store和write操作单独出现。
• 对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步到主内存中。

2.2 Java中的并发关键字

Java提供了volatile、synchronized等关键字来保证线程安全。volatile仅保证对单个volatile变量的读/写具有原子性，而锁的互斥执行特性可以确保整个临界区代码的执行具有原子性。在功能上，锁比volatile更强大，在可伸缩性和执行性能上，volatile更有优势。

2.3 Java中的并发容器与工具类

2.3.1 CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList在操作元素时会加可重入锁，以保证写操作的线程安全。但是每次添加或删除元素都需要复制一份新数组，对空间有较大的浪费。

public E get(int index) {
    return get(getArray(), index);
}

public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        newElements[len] = e;
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}