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使用了併發工具類庫，線程就安全了嗎

2020-11-22

使用了併發工具類庫，線程就安全了嗎

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併發工具類庫

  • 有時會聽到有關線程安全和併發工具的一些片面的觀點和結論，比如“把 HashMap 改為 ConcurrentHashMap ，要不我們試試無鎖的 CopyOnWriteArrayList 吧，性能更好，事實上，這些說法都特殊場景下都不太準確
  • 為了方便開發者進行多線程編程，現代編程語言提供了各種併發工具類 並且提供了 JUC 包 java.util.concurrent , 但是沒有充分了解他們的使用場景、解決的問題，以及最佳實踐的話，盲目使用就可能導致一些坑、小則損失性能，大則無法保證多線程去看下業務邏輯正確性。

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1. 沒有意識到線程重用導致用戶信息錯亂的 Bug

ThreadLocal提高一個線程的局部變量，訪問某個線程擁有自己局部變量。我們常常使用使用ThreadLocal 用來存儲用戶信息，但是發現ThreadLocal 有時獲取到的用戶信息是別人的，

我們知道，ThreadLocal適用於變量在線程間隔離，而在方法或類間共享的場景。如果用戶信息的獲取比較昂貴（比如從數據庫查詢用戶信息），那麼在 ThreadLocal中緩存數據是比較合適的做法。但，這麼做為什麼會出現用戶信息錯亂的 Bug ?

案例 ：
private ThreadLocal<Integer> currentUser = ThreadLocal.withInitial(() -> null);



 @ApiOperation(value = "test2")
    @GetMapping("/test2")
    public ResponseMessage test2(@ApiParam(value = "id")@RequestParam(required = false) Integer id) {
        //設置用戶信息之前先查詢一次ThreadLocal中的用戶信息
        String before = Thread.currentThread().getName() + ":" + currentUser.get();
        currentUser.set(id);
        String after = Thread.currentThread().getName() + ":" + currentUser.get();
        //彙總輸出兩次查詢結果
        Map result = new HashMap();
        result.put("before", before);
        result.put("after", after);
        return ResultBody.success(result);

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在設置用戶信息之前第一次獲取的值始終應該是 null，但我們要意識到，程序運行在 Tomcat 中，執行程序的線程是 Tomcat 的工作線程，而 Tomcat 的工作線程是基於線程池的。

  • 顧名思義，線程池會重用固定的幾個線程，一旦線程重用，那麼很可能首次從 ThreadLocal 獲取的值是之前其他用戶的請求遺留的值。這時，ThreadLocal 中的用戶信息就是其他用戶的信息。所以上圖中我新用戶 獲取到了 舊用戶遺留的 信息，

因為線程的創建比較昂貴，所以web服務器往往會使用線程池來處理請求，就意味著線程會被重用。這是，使用類似ThreadLocal工具來存放一些數據時，需要特別注意在代碼運行完後，顯式的去清空設置的睡覺。如果在代碼中使用來自定義線程池，也同樣會遇到這樣的問題

優化
 @ApiOperation(value = "test2")
    @GetMapping("/test2")
    public ResponseMessage test2(@ApiParam(value = "id")@RequestParam(required = false) Integer id) {
        //設置用戶信息之前先查詢一次ThreadLocal中的用戶信息
        String before = Thread.currentThread().getName() + ":" + currentUser.get();
        currentUser.set(id);
        Map result = new HashMap();
        try {
            String after = Thread.currentThread().getName() + ":" + currentUser.get();
            //彙總輸出兩次查詢結果
            
            result.put("before", before);
            result.put("after", after);
        }finally {
        //在finally代碼塊中刪除ThreadLocal中的數據，確保數據不串
            currentUser.remove();
        }
        return ResultBody.success(result);
    }

1. 使用了線程安全的併發工具，並不代表解決了所有的線程安全問題

JDK 1.5 後推出的 ConcurrentHashMap，是一個高性能的線程安全的哈希表容器。“線程安全”這四個字特別容易讓人誤解，因為 ConcurrentHashMap 只能保證提供的原子性讀寫操作是線程安全的。

案例
public class Test {

    private ConcurrentHashMap<String, Integer> map=new ConcurrentHashMap<String, Integer>();

        public static void main(String[] args) {
            final Test t=new Test();
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                new Thread(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        t.add("key");
                    }
                }).start();
            }
        }

    public void add(String key){
        Integer value=map.get(key);
        if(value==null)
            map.put(key, 1);
        else
            map.put(key, value+1);

        System.out.println(map.get(key));
    }



}

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解決：

public class Test {

    private ConcurrentHashMap<String, Integer> map=new ConcurrentHashMap<String, Integer>();

        public static void main(String[] args) {
            final Test t=new Test();
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                new Thread(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        t.add("key");
                    }
                }).start();
            }
        }

    public synchronized void add(String key){
        Integer value=map.get(key);
        if(value==null)
            map.put(key, 1);
        else
            map.put(key, value+1);

        System.out.println(map.get(key));
    }



}

如果只是調用put或者get方法，ConcurrentHashMap是線程安全的，但是如果調用了get後在調用map.put(key, value+1)之前有另外的線程去調用了put，然後你再去執行put，就有可能將結果覆蓋掉，但這個其實也不能算ConcurrentHashMap線程不安全，ConcurrentHashMap內部操作是線程安全的，但是外部操作還是要靠自己來保證同步，即使在線程安全的情況下，也是可能違反原子操作規則。。。

3. 沒有認清併發工具的使用場景，因而導致性能問題

除了 ConcurrentHashMap 這樣通用的併發工具類之外，我們的工具包中還有些針對特殊場景實現的生面孔。一般來說，針對通用場景的通用解決方案，在所有場景下性能都還可以，屬於“萬金油”；而針對特殊場景的特殊實現，會有比通用解決方案更高的性能，但一定要在它針對的場景下使用，否則可能會產生性能問題甚至是 Bug。

CopyOnWrite 是一個時髦的技術，不管是 Linux 還是 Redis 都會用到。在 Java 中，

CopyOnWriteArrayList 雖然是一個線程安全的 ArrayList，但因為其實現方式是，每次
修改數據時都會複製一份數據出來，所以有明顯的適用場景，即讀多寫少或者說希望無鎖讀的場景。

案例：

測試寫的性能

public static void main(String[] args) {
        CopyOnWriteArrayList<Integer> cowal = new CopyOnWriteArrayList<Integer>();
        ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();

        int count = 500;
        long time1 = System.currentTimeMillis();
        while (System.currentTimeMillis() - time1 < count) {
            cowal.add(1);
        }
        time1 = System.currentTimeMillis();
        while (System.currentTimeMillis() - time1 < count) {
            list.add(1);
        }
        System.out.println("CopyOnWriteArrayList在" + count + "毫秒時間內添加元素個數為：  "
                + cowal.size());
        System.out.println("ArrayList在" + count + "毫秒時間內添加元素個數為：  "
                + list.size());

    }

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  • 以 add 方法為例，每次 add 時，都會用 Arrays.copyOf 創建一個新數組，頻繁 add 時內存的申請釋放消耗會很大

讀性能比較

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        // create object of CopyOnWriteArrayList
        List<Integer> ArrLis = new ArrayList<>();


        List<Integer> copyOnWriteArrayList = new CopyOnWriteArrayList<>();

        System.gc();

        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            ArrLis.add(i);
        }

        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            copyOnWriteArrayList.add(i);
        }

        Thread.sleep(500);
        long startTime = System.currentTimeMillis();    //獲取開始時間
        // print CopyOnWriteArrayList
        System.out.println("ArrayList: "
                + ArrLis);
        // 2nd index in the arraylist
        System.out.println(" index: "
                + ArrLis.get(5000));
        long endTime = System.currentTimeMillis();    //獲取結束時間
        System.out.println(" ArrayList  : 程序運行時間：" + (endTime - startTime) + "ms");    //輸出程序運行時間

        Thread.sleep(500);

        long startTime2 = System.currentTimeMillis();    //獲取開始時間
        // print CopyOnWriteArrayList
        System.out.println("copyOnWriteArrayList: "
                + copyOnWriteArrayList);
        // 2nd index in the arraylist
        System.out.println(" index: "
                + copyOnWriteArrayList.get(5000));
        long endTime2 = System.currentTimeMillis();    //獲取結束時間
        System.out.println(" copyOnWriteArrayList  : 程序運行時間：" + (endTime2 - startTime2) + "ms");    //輸出程序運行時間

        System.gc();
    }

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  • 總結：雖然JDK 給我們提供了一些併發工具類，我們要想充分體現他的性能 還需要更加的去了解他的機制 ，不然可能就會成為項目中的累贅

個人博客地址：http://blog.yanxiaolong.cn/

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