【java 多线程】安全的构造器

测试和调试多线程程序是非常困难的,因为并发危险常常不会稳定的发生。多数线程问题都是不可预测的,可能不会发生在所有特定的平台(如单处理器系统)或低于某个特定水平荷载。因为测试多线程的正确性是很困难的,而且bug可能会花很长时间才能重现,所以,当我们开发程序是,要从一开始就考虑线程安全问题。

危险的条件

大多数并发危害归结为某种数据竞争。数据竞争或竞争条件,当多个线程或进程读写共享数据项,最终结果取决于线程的调度的顺序。清单1给出一个示例的一个简单的数据竞争实例,根据调度的线程可以打印0或1。

public class DataRace {
  static int a = 0;
 
  public static void main() {
    new MyThread().start();
    a = 1;
  }
 
  public static class MyThread extends Thread {
    public void run() { 
      System.out.println(a);
    }
  }
}

第二个线程可能被马上调度,打印初始a的初始值0。此外,第二个线程可能不会立即执行,导致打印1。这个程序的输出结果依赖你使用的JDK,操作系统的调度。多运行几次会得到不同的结果。

可见性危害

在清代1 事实上还有另一个数据冲突,除了在第二个线程执行之前,第一个线程把a设置为1。第二个冲突时可见性冲突:两个线程没有使用 synchronization,如果第二个线程在第一个线程赋值a之后执行,第一个线程的赋值可能或不可能立刻对第二个线程可见。第二个线程可能看到的a还是0,计时线程1已经设置成了1,。

这二类数据冲突,两个线程在没有适当的同步访问相同的变量,是一个复杂的问题,但幸运的是,你可以避免这类冲突利用同步,当你阅读一个变量,可能是由另一个线程写入的数据,或者写一个变量就被由另一个线程读取。我们不会对这类数据竞争在这里进一步探索,请看 "Synching up with the Java Memory Model" 侧边栏和相关课题组对这一复杂问题的更多信息。

在构造方法中不要公布“this”指针

将数据竞争引入到类中的一个错误是在构造函数完成之前将this引用暴露给另一个线程。有时引用是显式的,例如直接将其存储在静态字段或集合中,但其他时间可以是隐式的,例如在构造函数中向非静态内部类的实例发布引用时。构造函数不是普通的方法,它们具有初始化安全的特殊语义。在构造函数完成后,对象被假定为可预测的、一致的状态,并且对未完全构造对象的引用是危险的。清单2展示了将这种竞争条件引入构造函数的示例。它看起来无害,但它包含了严重并发问题的种子。

public class EventListener { 
 
  public EventListener(EventSource eventSource) {
    // do our initialization
    ...
 
    // register ourselves with the event source
    eventSource.registerListener(this);
  }
 
  public onEvent(Event e) { 
    // handle the event
  }
}

初次检查,事件侦听器类看起来是无害的。侦听器的注册是一个新的对象,而另一个线程可能看到它,这是构造函数所做的最后一件事。但即使忽略所有的java内存模型(JMM)如在线程和内存访问排序能见度差异问题,这个代码仍然是不完全暴露在了危险事件侦听器对象的其他线程。考虑会发生什么时,EventListener是它的子类,如清单3所示:

public class RecordingEventListener extends EventListener {
  private final ArrayList list;
 
  public RecordingEventListener(EventSource eventSource) {
    super(eventSource);
    list = Collections.synchronizedList(new ArrayList());
  }
 
  public onEvent(Event e) { 
    list.add(e);
    super.onEvent(e);
  }
 
  public Event[] getEvents() {
    return (Event[]) list.toArray(new Event[0]);
  }
}

因为java语言规范要求调用super()必须是子类构造方法的第一行代码。在子类完成初始化之前,我们尚未构造完成的event listener 已经注册到了event source。现在我们的list存在数据竞争。RecordingEventListener.onEvent()在调用时可能list还是默认值null,会抛出NullPointerException 异常。

参考

Safe construction techniques
JSR 133 (Java Memory Model) FAQ

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