Java并发编程实践着重探讨了线程安全的概念和在实际编程中的应用。线程安全的核心是确保在多线程环境下,共享数据能够正确地被访问和修改,避免竞态条件和数据一致性问题。一个对象是否线程安全取决于其能否承受来自不同线程的并发访问,特别是当这些访问涉及到修改状态时。
在Java中,实现线程安全的主要手段包括:
1. **锁机制**:synchronized关键字是Java中最基础的同步机制,它提供了一种独占锁,确保在任何时候只有一个线程可以访问特定代码块。synchronized可以作用于方法或代码块,确保在执行期间其他线程无法访问。
- **乐观锁和悲观锁**:乐观锁(如JDK的`java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock`)假设大多数情况下不会有冲突,只在更新时检查冲突;悲观锁(如`synchronized`)在尝试获取锁之前就假设可能会发生冲突,从而阻塞其他线程。
- **自旋锁**(如`java.util.concurrent.locks.ReentrantLock`的`tryLock()`方法):在等待锁时,自旋锁会持续尝试获取锁,直到成功或超时,避免频繁的上下文切换。
- **内部锁**:许多内置Java类(如`ConcurrentHashMap`)自带内部锁,确保并发访问的有序性。
2. **原子性和可见性**:原⼦操作(如`AtomicInteger`)是不可分割的操作,保证在其执行过程中不会被其他线程中断。`volatile`关键字确保了变量在多线程环境中的可见性,防止指令重排序带来的问题。
3. **线程安全类与非线程安全类**:尽管整个程序由线程安全类构成可能看似安全,但如果程序结构复杂,不恰当的依赖关系可能导致线程安全问题。设计时应遵循封装、不可变性和明确的不变约束原则,以简化维护和提高性能。
4. **并发性能优化**:过多的线程并不总是提高性能,特别是在CPU核心数量有限的情况下,过多线程可能导致上下文切换增加,反而降低效率。在涉及I/O或共享数据时,合理的线程数量能带来最佳吞吐量。
5. **竞态条件示例**:在Servlet示例中,`BigInteger`的递增操作`++`不是一个原⼦操作,如果多个线程同时访问,可能会出现并发问题。这种并发下的竞态条件可能导致意外的结果,比如单例模式中的多实例问题。
Java并发编程实践中,理解和掌握线程安全原则、选择合适的同步机制以及合理设计程序结构对于编写高效、可靠的多线程代码至关重要。通过适当的锁策略、原子性操作和避免不必要的同步,可以有效地管理并发环境中的数据一致性问题。