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【面試】如果你這樣回答“什么是線程安全”,面試官都會對你刮目相看

有讀者跟我說,喜歡看我的文章,說很容易讀,我確實在易讀性上花費的心思不亞于在內容上。因為我不喜歡一上來就堆很多東西,而且把簡單的東西搞得復雜人人都會,但是把復雜的東西講的簡單,確實需要非常多的思考。



不是線程的安全

面試官問:“什么是線程安全”,如果你不能很好的回答,那就請往下看吧。

論語中有句話叫“學而優則仕”,相信很多人都覺得是“學習好了可以做官”。然而,這樣理解卻是錯的。切記望文生義。

同理,“線程安全”也不是指線程的安全,而是指內存的安全。為什么如此說呢?這和操作系統有關。

目前主流操作系統都是多任務的,即多個進程同時運行。為了保證安全,每個進程只能訪問分配給自己的內存空間,而不能訪問別的進程的,這是由操作系統保障的。

在每個進程的內存空間中都會有一塊特殊的公共區域,通常稱為堆(內存)。進程內的所有線程都可以訪問到該區域,這就是造成問題的潛在原因。

假設某個線程把數據處理到一半,覺得很累,就去休息了一會,回來準備接著處理,卻發現數據已經被修改了,不是自己離開時的樣子了。可能被其它線程修改了。

比如把你住的小區看作一個進程,小區里的道路/綠化等就屬于公共區域。你拿1萬塊錢往地上一扔,就回家睡覺去了。睡醒后你打算去把它撿回來,發現錢已經不見了。可能被別人拿走了。

因為公共區域人來人往,你放的東西在沒有看管措施時,一定是不安全的。內存中的情況亦然如此。

所以線程安全指的是,在堆內存中的數據由于可以被任何線程訪問到,在沒有限制的情況下存在被意外修改的風險。

即堆內存空間在沒有保護機制的情況下,對多線程來說是不安全的地方,因為你放進去的數據,可能被別的線程“破壞”。

那我們該怎么辦呢?解決問題的過程其實就是一個取舍的過程,不同的解決方案有不同的側重點。


私有的東西就不該讓別人知道


現實中很多人都會把1萬塊錢藏著掖著,不讓無關的人知道,所以根本不可能扔到大馬路上。因為這錢是你的私有物品。

在程序中也是這樣的,所以操作系統會為每個線程分配屬于它自己的內存空間,通常稱為棧內存,其它線程無權訪問。這也是由操作系統保障的。

如果一些數據只有某個線程會使用,其它線程不能操作也不需要操作,這些數據就可以放入線程的棧內存中。較為常見的就是局部變量。










double avgScore(double[] scores) {    double sum = 0;    for (double score : scores) {        sum += score;    }    int count = scores.length;    double avg = sum / count;    return avg;}


這里的變量sum,count,avg都是局部變量,它們都會被分配在線程棧內存中。

假如現在A線程來執行這個方法,這些變量會在A的棧內存分配。與此同時,B線程也來執行這個方法,這些變量也會在B的棧內存中分配。

也就是說這些局部變量會在每個線程的棧內存中都分配一份。由于線程的棧內存只能自己訪問,所以棧內存中的變量只屬于自己,其它線程根本就不知道。

就像每個人的家只屬于自己,其他人不能進來。所以你把1萬塊錢放到家里,其他人是不會知道的。且一般還會放到某個房間里,而不是仍在客廳的桌子上。

所以把自己的東西放到自己的私人地盤,是安全的,因為其他人無法知道。而且越隱私的地方越好。


大家不要搶,人人有份


相信聰明的你已經發現,上面的解決方案是基于“位置”的。因為你放東西的“位置”只有你自己知道(或能到達),所以東西是安全的,因此這份安全是由“位置”來保障的。

在程序里就對應于方法的局部變量。局部變量之所以是安全的,就是因為定義它的“位置”是在方法里。這樣一來安全是達到了,但是它的使用范圍也就被限制在這個方法里了,其它方法想用也不用了啦。

現實中往往會有一個變量需要多個方法都能夠使用的情況,此時定義這個變量的“位置”就不能在方法里面了,而應該在方法外面。即從(方法的)局部變量變為(類的)成員變量,其實就是“位置”發生了變化。

那么按照主流編程語言的規定,類的成員變量不能再分配在線程的棧內存中,而應該分配在公共的堆內存中。其實也就是變量在內存中的“位置”發生了變化,由一個私有區域來到了公共區域。因此潛在的安全風險也隨之而來。

那怎么保證在公共區域的東西安全呢?答案就是,大家不要搶,人人有份。設想你在街頭免費發放礦泉水,來了1萬人,你卻只有1千瓶水,結果可想而知,一擁而上,場面失守。但如果你有10萬瓶水,大家一看,水多著呢,不用著急,一個個排著隊來,因為肯定會領到。

東西多了,自然就不值錢了,從另一個角度來說,也就安全了。大街上的共享單車,現在都很安全,因為太多了,到處都是,都長得一樣,所以連搞破壞的人都放棄了。因此要讓一個東西安全,就瘋狂的copy它吧。

回到程序里,要讓公共區域堆內存中的數據對于每個線程都是安全的,那就每個線程都拷貝它一份,每個線程只處理自己的這一份拷貝而不去影響別的線程的,這不就安全了嘛。相信你已經猜到了,我要表達的就是ThreadLocal類了。








































class StudentAssistant {
ThreadLocal<String> realName = new ThreadLocal<>(); ThreadLocal<Double> totalScore = new ThreadLocal<>();
String determineDegree() { double score = totalScore.get(); if (score >= 90) { return "A"; } if (score >= 80) { return "B"; } if (score >= 70) { return "C"; } if (score >= 60) { return "D"; } return "E"; }
double determineOptionalcourseScore() { double score = totalScore.get(); if (score >= 90) { return 10; } if (score >= 80) { return 20; } if (score >= 70) { return 30; } if (score >= 60) { return 40; } return 60; }}


這個學生助手類有兩個成員變量,realName和totalScore,都是ThreadLocal類型的。每個線程在運行時都會拷貝一份存儲到自己的本地。

A線程運行的是“張三”和“90”,那么這兩個數據“張三”和“90”是存儲到A線程對象(Thread類的實例對象)的成員變量里去了。假設此時B線程也在運行,是“李四”和“85”,那么“李四”和“85”這兩個數據是存儲到了B線程對象(Thread類的實例對象)的成員變量里去了。

線程類(Thread)有一個成員變量,類似于Map類型的,專門用于存儲ThreadLocal類型的數據。從邏輯從屬關系來講,這些ThreadLocal數據是屬于Thread類的成員變量級別的。從所在“位置”的角度來講,這些ThreadLocal數據是分配在公共區域的堆內存中的。

說的直白一些,就是把堆內存中的一個數據復制N份,每個線程認領1份,同時規定好,每個線程只能玩自己的那份,不準影響別人的。

需要說明的是這N份數據都還是存儲在公共區域堆內存里的,經常聽到的“線程本地”,是從邏輯從屬關系上來講的,這些數據和線程一一對應,仿佛成了線程自己“領地”的東西了。其實從數據所在“位置”的角度來講,它們都位于公共的堆內存中,只不過被線程認領了而已。這一點我要特地強調一下。

其實就像大街上的共享單車。原來只有1輛,大家搶著騎,老出問題。現在從這1輛復制出N輛,每人1輛,各騎各的,問題得解。共享單車就是數據,你就是線程。騎行期間,這輛單車從邏輯上來講是屬于你的,從所在位置上來講還是在大街上這個公共區域的,因為你發現每個小區大門口都貼著“共享單車,禁止入門”。哈哈哈哈。

共享單車是不是和ThreadLocal很像呀。再重申一遍,ThreadLocal就是,把一個數據復制N份,每個線程認領一份,各玩各的,互不影響。


只能看,不能摸


放在公共區域的東西,只是存在潛在的安全風險,并不是說一定就不安全。有些東西雖然也在公共區域放著,但也是十分安全的。比如你在大街上放一個上百噸的石頭雕像,就非常安全,因為大家都弄不動它。

再比如你去旅游時,經常發現一些珍貴的東西,會被用鐵柵欄圍起來,上面掛一個牌子,寫著“只能看,不能摸”。當然可以國際化一點,“only look,don't touch”。這也是很安全的,因為光看幾眼是不可能看壞的。

回到程序里,這種情況就屬于,只能讀取,不能修改。其實就是常量或只讀變量,它們對于多線程是安全的,想改也改不了。





class StudentAssistant {
final double passScore = 60;}


比如把及格分數設定為60分,在前面加上一個final,這樣所有線程都動不了它了。這就很安全了。


小節一下以上三種解決方案,其實都是在“耍花招”。

第一種,找個只有自己知道的地方藏起來,當然安全了。

第二種,每人復制1份,各玩各的,互不影響,當然也安全了。

第三種,更狠了,直接規定,只能讀取,禁止修改,當然也安全了。

是不是都在“避重就輕”呀。如果這三種方法都解決不了,該怎么辦呢?Don't worry,just continue reading。


沒有規則,那就先入為主


前面給出的三種方案,有點“理想化”了。現實中的情況其實是非常混亂嘈雜的,沒有規則的。

比如在中午高峰期你去飯店吃飯,進門后發現只剩一個空桌子了,你心想先去點餐吧,回來就坐這里吧。當你點完餐回來后,發現已經被別人捷足先登了。

因為桌子是屬于公共區域的物品,任何人都可以坐,那就只能誰先搶到誰坐。雖然你在人群中曾多看了它一眼,但它并不會記住你容顏。

解決方法就不用我說了吧,讓一個人在那兒看著座位,其它人去點餐。這樣當別人再來的時候,你就可以理直氣壯的說,“不好意思,這個座位,我,已經占了”。

我再次相信聰明的你已經猜到了我要說的東西了,沒錯,就是(互斥)鎖。

回到程序里,如果公共區域(堆內存)的數據,要被多個線程操作時,為了確保數據的安全(或一致)性,需要在數據旁邊放一把鎖,要想操作數據,先獲取鎖再說吧。

假設一個線程來到數據跟前一看,發現鎖是空閑的,沒有人持有。于是它就拿到了這把鎖,然后開始操作數據,干了一會活,累了,就去休息了。

這時,又來了一個線程,發現鎖被別人持有著,按照規定,它不能操作數據,因為它無法得到這把鎖。當然,它可以選擇等待,或放棄,轉而去干別的。

第一個線程之所以敢大膽的去睡覺,就是因為它手里拿著鎖呢,其它線程是不可能操作數據的。當它回來后繼續把數據操作完,就可以把鎖給釋放了。鎖再次回到空閑狀態,其它線程就可以來搶這把鎖了。還是誰先搶到鎖誰操作數據。


















class ClassAssistant {
double totalScore = 60; final Lock lock = new Lock();
void addScore(double score) { lock.obtain(); totalScore += score; lock.release(); }
void subScore(double score) { lock.obtain(); totalScore -= score; lock.release(); }}


假定一個班級的初始分數是60分,這個班級抽出10名學生來同時參加10個不同的答題節目,每個學生答對一次為班級加上5分,答錯一次減去5分。因為10個學生一起進行,所以這一定是一個并發情形。

因此加分和減分這兩個方法被并發的調用,它們共同操作總分數。為了保證數據的一致性,需要在每次操作前先獲取鎖,操作完成后再釋放鎖。


相信世界充滿愛,即使被傷害


再回到一開始的例子,假如你往地上仍1萬塊錢,是不是一定會丟呢?這要看情況了,如果是在人來人往的都市,可以說肯定會丟的。如果你跑到無人區扔地上,可以說肯定不會丟。

可以看到,都是把東西無保護的放到公共區域里,結果卻相差很大。這說明安全問題還和公共區域的環境狀況有關系。

比如我把數據放到公共區域的堆內存中,但是始終都只會有1個線程,也就是單線程模型,那這數據肯定是安全的。

再者說,2個線程操作同一個數據和200個線程操作同一個數據,這個數據的安全概率是完全不一樣的。肯定線程越多數據不安全的概率越大,線程越少數據不安全的概率越小。取個極限情況,那就是只有1個線程,那不安全概率就是0,也就是安全的。

可能你又猜到了我想表達的內容了,沒錯,就是CAS。可能大家覺得既然鎖可以解決問題,那就用鎖得了,為啥又冒出了個CAS呢?

那是因為鎖的獲取和釋放是要花費一定代價的,如果在線程數目特別少的時候,可能根本就不會有別的線程來操作數據,此時你還要獲取鎖和釋放鎖,可以說是一種浪費。

針對這種“地廣人稀”的情況,專門提出了一種方法,叫CAS(Compare And Swap)。就是在并發很小的情況下,數據被意外修改的概率很低,但是又存在這種可能性,此時就用CAS。

假如一個線程操作數據,干了一半活,累了,想要去休息。(貌似今天的線程體質都不太好)。于是它記錄下當前數據的狀態(就是數據的值),回家睡覺了。

醒來后打算繼續接著干活,但是又擔心數據可能被修改了,于是就把睡覺前保存的數據狀態拿出來和現在的數據狀態比較一下,如果一樣,說明自己在睡覺期間,數據沒有被人動過(當然也有可能是先被改成了其它,然后又改回來了,這就是ABA問題了),那就接著繼續干。如果不一樣,說明數據已經被修改了,那之前做的那些操作其實都白瞎了,就干脆放棄,從頭再重新開始處理一遍。

所以CAS這種方式適用于并發量不高的情況,也就是數據被意外修改的可能性較小的情況。如果并發量很高的話,你的數據一定會被修改,每次都要放棄,然后從頭再來,這樣反而花費的代價更大了,還不如直接加鎖呢。

這里再解釋下ABA問題,假如你睡覺前數據是5,醒來后數據還是5,并不能肯定數據沒有被修改過。可能數據先被修改成8然后又改回到5,只是你不知道罷了。對于這個問題,其實也很好解決,再加一個版本號字段就行了,并規定只要修改數據,必須使版本號加1。

這樣你睡覺前數據是5版本號是0,醒來后數據是5版本號是0,表明數據沒有被修改。如果數據是5版本號是2,表明數據被改動了2次,先改為其它,然后又改回到5。

我再次相信聰明的你已經發現了,這里的CAS其實就是樂觀鎖,上一種方案里的獲取鎖和釋放鎖其實就是悲觀鎖。樂觀鎖持樂觀態度,就是假設我的數據不會被意外修改,如果修改了,就放棄,從頭再來。悲觀鎖持悲觀態度,就是假設我的數據一定會被意外修改,那干脆直接加鎖得了。

作者觀點


前兩種屬于隔離法,一個是位置隔離,一個是數據隔離。

然后兩種是標記法,一個是只讀標記,一個是加鎖標記。

最后一種是大膽法,先來懟一把試試,若不行從頭再來。

對于大膽法,還是有必要嘗試的。有人曾說過,“夢想還是要有的,萬一實現了呢”。


(END)


作者是工作超過10年的碼農,現在任架構師。喜歡研究技術,崇尚簡單快樂。追求以通俗易懂的語言解說技術,希望所有的讀者都能看懂并記住。下面是公眾號和知識星球的二維碼,歡迎關注!

       

posted on 2019-05-07 09:57  編程新說(李新杰)  閱讀(27837)  評論(188編輯  收藏

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