孫明鵬 胡飛 胡長春

【摘要】多線程編程的基本概念存在于研究與開發(fā)實(shí)驗(yàn)室中已有數(shù)十年之久。多線程的真正價(jià)值在語言設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)和實(shí)戰(zhàn)細(xì)節(jié)上是顯而易見的，利用現(xiàn)代處理器和多處理器及其特點(diǎn)，多線程可具有更好的性能。多線程的應(yīng)用最重要的問題是線程安全，未解決和解決不完全的線程安全問題，其導(dǎo)致的錯(cuò)誤很難發(fā)現(xiàn)且很難被調(diào)試，并且線程所導(dǎo)致的錯(cuò)誤所造成的損失是巨大且無可估量的。

【關(guān)鍵詞】多線程 ?編程 ?安全

一、什么是線程安全

當(dāng)你的程序所在的進(jìn)程之中有多個(gè)線程在同時(shí)運(yùn)行，而這些線程可能會(huì)同時(shí)運(yùn)行一段代碼或者會(huì)同時(shí)訪問一個(gè)對(duì)象，如果每次運(yùn)行這段代碼或?qū)?duì)象訪問之后，所得到的結(jié)果和單線程情況下運(yùn)行結(jié)果一樣，而且其他的變量的值也和預(yù)期保持一致，我們就認(rèn)為是線程安全的。也就是說，當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)運(yùn)行同一段代碼時(shí)不會(huì)造成資源的沖突，不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果就是線程安全的。如過有一段線程安全的代碼，它在多個(gè)線程中使用時(shí)不需要做同步處理;而線程不安全的代碼在多線程環(huán)境中使用必須要做同步處理，否則將會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)期的后果。

二、線程不安全所造成的影響

在不進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)操作時(shí)，當(dāng)一段代碼或者對(duì)象可能被多個(gè)線程訪問，而且訪問順序不能確定，那么一旦這段代碼或者對(duì)象處于有條件的線程安全，線程兼容，線程對(duì)立這一分類，就可能出現(xiàn)多個(gè)線程先后更改數(shù)據(jù)，從而造成得到的數(shù)據(jù)不一致，或者數(shù)據(jù)出現(xiàn)污染，更嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)臟數(shù)據(jù)，甚至程序崩潰。線程不安全是可怕的，一方面它對(duì)于程序編寫人員來說是一場(chǎng)災(zāi)難，因?yàn)榫€程不安全導(dǎo)致的錯(cuò)誤會(huì)被程序復(fù)雜的邏輯掩蓋，它所造成的錯(cuò)誤與邏輯不嚴(yán)謹(jǐn)所造成的錯(cuò)誤基本上相似，這就為除錯(cuò)造成了困難，很多時(shí)候需要重新審視整個(gè)代碼，甚至很長時(shí)間無法發(fā)現(xiàn)問題所在。另一方面它對(duì)于程序的使用者造成的損失基本無法估計(jì)，在當(dāng)下的數(shù)據(jù)時(shí)代，任何數(shù)據(jù)的不一致，數(shù)據(jù)的污染都會(huì)給一個(gè)公司和個(gè)人造成無法挽回的影響。

三、線程不安全的分類

線程的安全程度并沒有一個(gè)統(tǒng)一的分類，在喬?！げ悸搴账o出線程分類描述，線程安全性分為五類，分別是：不可變、線程安全、有條件線程安全、線程兼容和線程對(duì)立。當(dāng)然，若在明確的明白下線程安全特性的情況下，無論是否使用這種分類系統(tǒng)都沒有關(guān)系。喬希·布洛赫所提出的分類方法也有局限性，各個(gè)分類之間的界限并不是絕對(duì)的明朗，但是作為對(duì)線程安全的分類，確是簡單明了的。下面就各個(gè)類別進(jìn)行詳細(xì)的說明：

1，不可變的

不可變的對(duì)象一定是線程安全的，因?yàn)槠洳豢勺兊奶匦裕肋h(yuǎn)也不需要進(jìn)行額外的同步操作。只要一個(gè)不可變的對(duì)象在構(gòu)建時(shí)候是正確的，那么永遠(yuǎn)也不會(huì)看到它處于不一致的狀態(tài)。再代碼中，基本類型，基本數(shù)值類，字符常量都是不可變的。

2，線程安全的

所有線程安全的代碼或者對(duì)象都具有上面所提到的線程安全的屬性，也就是說，這段代碼或?qū)ο笤诙嗑€程環(huán)境下，被多個(gè)線程訪問，不管這些線程的訪問順序是何種順序，所有訪問的線程都不需要進(jìn)行額外的同步工作。這種線程安全的要求是嚴(yán)格的，滿足這種要求的和滿足不可變類型的所有代碼或者對(duì)象都是絕對(duì)的線程安全。

3，有條件的線程安全

有條件的線程安全，指的是對(duì)于這段代碼或者對(duì)象僅僅在一些操作訪問順序不同需要額外的同步操作。最顯著的有條件的線程安全是在遍歷一些返回迭代器對(duì)象的時(shí)候，如果在遍歷這些對(duì)象的同時(shí)存在另一個(gè)或多個(gè)線程進(jìn)行了添加或移除內(nèi)部元素的操作，必然會(huì)出現(xiàn)迭代器的失效。為了保證在某一線程在執(zhí)行遍歷操作的時(shí)候該對(duì)象不會(huì)被其他線程訪問，應(yīng)通過相應(yīng)的手段，阻止其他線程做出導(dǎo)致該對(duì)象的迭代器失效的操作。進(jìn)行迭代的線程應(yīng)該確保它是獨(dú)占性的訪問該對(duì)象，從而保證了遍歷的完整性。

4，線程兼容的

線程兼容的代碼或者對(duì)象不是線程安全的，但是可以通過正常使用同步而在多線程環(huán)境下安全的使用。

5，線程對(duì)立的

線程對(duì)立是指一段代碼或者對(duì)象在運(yùn)行中，一旦存在多進(jìn)程對(duì)它進(jìn)行操作，總是不能保證線程安全的，這種不能保證不管是否進(jìn)行了同步的操作。線程對(duì)立是一種罕見且特殊的情況，例如當(dāng)一段代碼或?qū)ο笾械撵o態(tài)數(shù)據(jù)被修改之后，被修改的數(shù)據(jù)可能會(huì)影響到其他代碼或者其他對(duì)象的行為時(shí)，這種時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)線程對(duì)立。

四、防范線程不安全影響的措施

1.對(duì)于可能會(huì)運(yùn)行在多線程環(huán)境下的代碼和對(duì)象的編寫人員，應(yīng)盡量的保證該代碼在多線程環(huán)境每次運(yùn)行結(jié)果和單線程情況下運(yùn)行結(jié)果一致，而且其他的變量和值也能和預(yù)期結(jié)果保持一致。這種情況從根本上保證了線程安全。

2.對(duì)于可能會(huì)運(yùn)行在多線程環(huán)境下的代碼和對(duì)象的編寫人員，在編寫代碼和對(duì)象的時(shí)候，應(yīng)注意辨別是否能在多線程下正確運(yùn)行，根據(jù)上文提出的線程安全的分類，對(duì)于有條件的線程安全的，線程兼容的，線程對(duì)立的應(yīng)該給以相應(yīng)的標(biāo)記，或在文檔之中詳細(xì)的寫出說明。保證該代碼或者對(duì)象的潛在使用者能夠通過查看注釋或文檔，清楚明白的知道該代碼或?qū)ο笤诙嗑€程環(huán)境下的運(yùn)行狀態(tài)。

3.對(duì)于某段代碼或者某個(gè)對(duì)象的使用者，在使用這段代碼或?qū)ο笾?，?yīng)該清楚的知道該代碼和對(duì)象是否是線程安全的，并且應(yīng)該清楚的知道接下來使用這段代碼或?qū)ο蟮倪\(yùn)行環(huán)境是否為多線程環(huán)境，根據(jù)不同的情況決定是否需要進(jìn)行線程間的同步，或者用互斥鎖等方法使得線程能夠有序的訪問該代碼或?qū)ο蟆?/p>

4.對(duì)于某段代碼或者某個(gè)對(duì)象的使用者，如果確定為多線程環(huán)境，且確定接下來使用的代碼或?qū)ο笥锌赡軙?huì)被多個(gè)線程訪問，并且無法確定其是否是線程安全的時(shí)候，應(yīng)盡量通過多種方式確定其線程安全與否，這些方式包括聯(lián)系作者或者通過自己的測(cè)試，以及查看源代碼。

5.對(duì)于軟件設(shè)計(jì)者來說，當(dāng)程序不能按照設(shè)計(jì)運(yùn)行，應(yīng)當(dāng)在檢測(cè)邏輯錯(cuò)誤的同時(shí)，檢測(cè)是否因?yàn)榫€程不安全而導(dǎo)致的錯(cuò)誤是必要的。依次檢查所使用別人代碼或別人提供的對(duì)象是否存在線程安全問題是最為合適的。

6.對(duì)于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)因?yàn)榫€程安全問題導(dǎo)致錯(cuò)誤的軟件使用者，應(yīng)及時(shí)停止使用該軟件，及時(shí)聯(lián)系軟件廠商，要求修改。

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