基于Java多線程同步的安全性研究

張勇

(宿州職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)信息系,安徽宿州234101)

Java多線程是提高程序效能的利器,對于如何開發(fā)多線程的程序,已經(jīng)有了很多的研究。本文并不是告訴您如何編寫多線程Java程序,而著重于研究多線程的并發(fā)控制以及如何描述線程執(zhí)行的過程,線程運(yùn)行的機(jī)制,線程同步的必要性,和線程同步的解決方法。因?yàn)橹挥型耆瓶豃ava多線程執(zhí)行的過程,明白線程運(yùn)行的機(jī)制,才能開發(fā)出高安全性的Java應(yīng)用程序。

1 統(tǒng)一的Java內(nèi)存模型規(guī)范

不同的平臺,內(nèi)存模型是不一樣的,但是JVM的內(nèi)存模型規(guī)范是統(tǒng)一的。其實(shí)Java的多線程并發(fā)問題最終都會(huì)反映在Java的內(nèi)存模型上,所謂線程安全無非是要控制多個(gè)線程對某個(gè)資源的有序訪問或修改。其實(shí)Java的內(nèi)存模型就是要解決兩個(gè)主要的問題：可見性和有序性。我們都知道計(jì)算機(jī)有高速緩存的存在,處理器并不是每次處理數(shù)據(jù)都是取內(nèi)存的。JVM定義了自己的內(nèi)存模型,屏蔽了底層平臺內(nèi)存管理細(xì)節(jié),對于Java開發(fā)人員,要清楚在JVM內(nèi)存模型的基礎(chǔ)上如何解決多線程的可見性和有序性[1]。

在JAVA程序的執(zhí)行過程中,線程不能直接為主存中的字段賦值,它會(huì)將值指定給工作內(nèi)存中的變量副本(assign),完成后這個(gè)變量副本會(huì)同步到主存儲區(qū)(store-write),至于何時(shí)同步到主存,根據(jù)JVM實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)決定。有些字段,則會(huì)從主內(nèi)存中將該字段賦值到工作內(nèi)存中,這個(gè)過程為read -load,完成后線程會(huì)引用該變量副本,當(dāng)同一線程多次重復(fù)對字段賦值時(shí),如

線程有可能只對工作內(nèi)存中的副本進(jìn)行賦值,直到最后一次賦值后才同步到主存儲區(qū),所以assign,store,weite順序可以由JVM實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)決定。

假設(shè)有一個(gè)共享變量x,線程A執(zhí)行x=x+ 1。從上面的描述中可以知道x=x+1并不是一個(gè)原子操作,它的執(zhí)行過程如下：從主存中讀取變量x副本到工作內(nèi)存→給x加1→將x加1后的值寫回主存,如果另外一個(gè)線程B執(zhí)行x=x-1,執(zhí)行過程如下：從主存中讀取變量 x副本到工作內(nèi)存→給x減1→將 x減1后的值寫回主存。那么顯然,最終的 x的值是不可靠的。假設(shè) x現(xiàn)在為10,線程A加1,線程B減1,從表面上看,似乎最終x還是為10,但是多線程情況下會(huì)有這種情況發(fā)生：

1)線程 A從主存讀取x副本到工作內(nèi)存,工作內(nèi)存中x值為10。

2)線程B從主存讀取x副本到工作內(nèi)存,工作內(nèi)存中x值為10。

3)線程A將工作內(nèi)存中x加1,工作內(nèi)存中 x值為11。

4)線程A將x提交主存中,主存中x為11。

5)線程B將工作內(nèi)存中x值減1,工作內(nèi)存中x值為9。

6)線程B將x提交到中主存中,主存中x為9。

同樣x有可能為11,如果x是一個(gè)銀行賬戶,線程A存款,線程 B扣款,顯然這樣是有嚴(yán)重問題的,要解決這個(gè)問題,必須保證線程A和線程B是有序執(zhí)行的,并且每個(gè)線程執(zhí)行的加1或減1是一個(gè)原子操作。

2 Synchronized關(guān)鍵字的使用

上面說了,Java用synchronized關(guān)鍵字做為多線程并發(fā)環(huán)境的執(zhí)行有序性的保證手段之一。當(dāng)一段代碼會(huì)修改共享變量,這一段代碼成為互斥區(qū)或臨界區(qū),為了保證共享變量的正確性,synchronized標(biāo)示了臨界區(qū)。典型的用法如下：

為了保證銀行賬戶的安全,可以操作賬戶的方法如下：

那么對于public synchronized void add(int num)這種情況,意味著什么呢?其實(shí)這種情況,鎖就是這個(gè)方法所在的對象。同理,如果方法是public static synchronized void add(int num),那么鎖就是這個(gè)方法所在的class。理論上,每個(gè)對象都可以做為鎖,但一個(gè)對象做為鎖時(shí),應(yīng)該被多個(gè)線程共享,這樣才顯得有意義,在并發(fā)環(huán)境下,一個(gè)沒有共享的對象作為鎖是沒有意義的。

每個(gè)鎖對象都有兩個(gè)隊(duì)列,一個(gè)是就緒隊(duì)列,一個(gè)是阻塞隊(duì)列,就緒隊(duì)列存儲了將要獲得鎖的線程,阻塞隊(duì)列存儲了被阻塞的線程,當(dāng)一個(gè)線程被喚醒(notify)后,才會(huì)進(jìn)入到就緒隊(duì)列,等待cpu的調(diào)度。當(dāng)一開始線程A第一次執(zhí)行account.add方法時(shí),JVM會(huì)檢查鎖對象account的就緒隊(duì)列是否已經(jīng)有線程在等待,如果有則表明account的鎖已經(jīng)被占用了,由于是第一次運(yùn)行,account的就緒隊(duì)列為空,所以線程A獲得了鎖,執(zhí)行account.add方法。如果恰好在這個(gè)時(shí)候,線程b要執(zhí)行account.withdraw方法,因?yàn)榫€程 A已經(jīng)獲得了鎖還沒有釋放,所以線程 B要進(jìn)入account的就緒隊(duì)列,等到得到鎖后才可以執(zhí)行。

一個(gè)線程執(zhí)行臨界區(qū)代碼過程如下：獲得同步鎖→清空工作內(nèi)存→從主存拷貝變量副本到工作內(nèi)存→對這些變量計(jì)算→將變量從工作內(nèi)存寫回到主存→釋放鎖,可見,synchronized既保證了多線程的并發(fā)有序性,又保證了多線程的內(nèi)存可見性[3]。

3 模式問題的解決

生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式其實(shí)是一種很經(jīng)典的線程同步模型,很多時(shí)候,并不是光保證多個(gè)線程對某共享資源操作的互斥性就夠了,往往多個(gè)線程之間都是有協(xié)作的。

假設(shè)有這樣一種情況,有一個(gè)桌子,桌子上面有一個(gè)盤子,盤子里只能放一顆雞蛋,A專門往盤子里放雞蛋,如果盤子里有雞蛋,則一直等到盤子里沒雞蛋,B專門從盤子里拿雞蛋,如果盤子里沒雞蛋,則等待直到盤子里有雞蛋。其實(shí)盤子就是一個(gè)互斥區(qū),每次往盤子放雞蛋應(yīng)該都是互斥的, A的等待其實(shí)就是主動(dòng)放棄鎖,B等待時(shí)還要提醒A放雞蛋。

如何讓線程主動(dòng)釋放鎖,很簡單,調(diào)用鎖的wait()方法就好。wait()方法是從Object來的,所以任意對象都有這個(gè)方法。

如果一個(gè)線程獲得了鎖lock,進(jìn)入了同步塊,執(zhí)行l(wèi)ock.wait(),那么這個(gè)線程會(huì)進(jìn)入到lock的阻塞隊(duì)列。如果調(diào)用lock.notify()則會(huì)通知阻塞隊(duì)列的某個(gè)線程進(jìn)入就緒隊(duì)列。

聲明一個(gè)盤子,只能放一個(gè)雞蛋。

聲明一個(gè)Plate對象為plate,被線程A和線程B共享,A專門放雞蛋,B專門拿雞蛋。

假設(shè)(1)開始,A調(diào)用plate.putEgg方法,此時(shí)eggs.size()為0,因此順利將雞蛋放到盤子,還執(zhí)行了notify()方法,喚醒鎖的阻塞隊(duì)列的線程,此時(shí)阻塞隊(duì)列還沒有線程。(2)又有一個(gè)A線程對象調(diào)用plate.putEgg方法,此時(shí)eggs.size()不為0,調(diào)用wait()方法,自己進(jìn)入了鎖對象的阻塞隊(duì)列。(3)此時(shí),來了一個(gè)B線程對象,調(diào)用plate.getEgg方法,eggs.size()不為0,順利的拿到了一個(gè)雞蛋,還執(zhí)行了notify()方法,喚醒鎖的阻塞隊(duì)列的線程,此時(shí)阻塞隊(duì)列有一個(gè)A線程對象,喚醒后,它進(jìn)入到就緒隊(duì)列,就緒隊(duì)列也就它一個(gè),因此馬上得到鎖,開始往盤子里放雞蛋,此時(shí)盤子是空的,因此放雞蛋成功。(4)假設(shè)接著來了線程A,就重復(fù)2;假設(shè)來料線程B,就重復(fù)3。整個(gè)過程都保證了放雞蛋,拿雞蛋,放雞蛋,拿雞蛋。

4 volatile關(guān)鍵字的使用場景

volatile是Java提供的一種同步手段,只不過它是輕量級的同步,為什么這么說,因?yàn)関olatile只能保證多線程的內(nèi)存可見性,不能保證多線程的執(zhí)行有序性。而最徹底的同步要保證有序性和可見性,例如synchronized。任何被volatile修飾的變量,都不拷貝副本到工作內(nèi)存,任何修改都及時(shí)寫在主存。因此對于valatile修飾的變量的修改,所有線程馬上就能看到,但是volatile不能保證對變量的修改是有序的[4]。假如：

當(dāng)一個(gè)VolatileTest對象被多個(gè)線程共享,a的值不一定是正確的,因?yàn)閍=a+count包含了好幾步操作,而此時(shí)多個(gè)線程的執(zhí)行是無序的,因?yàn)闆]有任何機(jī)制來保證多個(gè)線程的執(zhí)行有序性和原子性。volatile存在的意義是,任何線程對a的修改,都會(huì)馬上被其他線程讀取到,因?yàn)橹苯硬僮髦鞔?沒有線程對工作內(nèi)存和主存的同步。所以,volatile的使用場景是有限的,在有限的一些情形下可以使用volatile變量替代鎖。要使 volatile變量提供理想的線程安全,必須同時(shí)滿足下面兩個(gè)條件[5]。

(1)對變量的寫操作不依賴于當(dāng)前值。

(2)該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中。

volatile只保證了可見性,所以Volatile適合直接賦值的場景,如：

在沒有volatile聲明時(shí),多線程環(huán)境下,a的最終值不一定是正確的,因?yàn)閠his.a=a;涉及到給a賦值和將a同步回主存的步驟,這個(gè)順序可能被打亂。如果用volatile聲明了,讀取主存副本到工作內(nèi)存和同步a到主存的步驟,相當(dāng)于是一個(gè)原子操作。所以簡單來說,volatile適合這種場景：一個(gè)變量被多個(gè)線程共享,線程直接給這個(gè)變量賦值。這是一種很簡單的同步場景,這時(shí)候使用volatile的開銷將會(huì)非常小。

5 結(jié)束語

使用synchronized關(guān)鍵字、volatile關(guān)鍵字可以為多線程的同步提供基本的安全保障,在開發(fā)高安全性的Java程序時(shí),為了防止競爭冒險(xiǎn)、死鎖、活動(dòng)鎖和資源耗等情況的發(fā)生,我們必須對線程的等待機(jī)制、資源占有機(jī)制等作詳細(xì)的研究與規(guī)劃,不僅要在線程的運(yùn)行機(jī)制上認(rèn)真探索,還要在程序的整體構(gòu)建上作合理的部署,這也是在以后的研究中對這一類問題的從微觀到宏觀的一個(gè)研究轉(zhuǎn)變。

[1]吳其慶.Java編程思想與實(shí)踐[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2002.

[2]包景州.Web服務(wù)中安全身份認(rèn)證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究[D].上海：上海交通大學(xué),2004.

[3]李尊朝,蘇軍.Java語言程序設(shè)計(jì)[M].北京：中國鐵道出版社,2004.

[4]沈 袁.實(shí)時(shí)Java平臺的研究[D].無錫：江南大學(xué), 2009.

[5]金振乾.Java語言中read方法分析[J].科技信息,2010 (27)：71.