多线程下race condition问题

这个问题的讨论来自内部的一个关于“多线程环境下使用Hashmap的安全问题”的讨论，HashMap多线程的问题之前已经提过一次，见之前的blog .本篇文章主要讨论多线程下race condition的问题。以下内容部分引用自内部邮件：

错误代码：

定义成员变量
private
 static
 Map cachedMap = new
 HashMap(7000);
private
 static
 Boolean firstInvoke = true;
程序是设想在第一次开始对该map变量进行初始化
线程1：
Public Object  getMyValue(){
     If(firstInvoke){
        While(i<7000){
…………
cachedMap.put("new"
,"newValue"
);
i++;
}
firstInvoke = false;
}
}

线程2：
在线程1对cachedMap对象put的时候，线程2从这个cachedMap中取值
cachedMap.get("new"
);

错误分析    

       单步Debug是没问题,但代码在多线程情况下工作会出现线程安全。 Hashmap不是读写线程安全的，只有全部只读才是线程安全的，Hashmap在被并发读写使用的时候会出现线程安全问题，一般理解的线程安全问题导致 的是数据错误。 而Hashmap多线程同时读写操作时，可能使程序挂起。

以下引用自http://sdh5724.javaeye.com/blog/619130

       分析： 我们知道Hashmap在被并发读写使用的时候， 会抛出ConcurrentModificationException这个异常， 但是JDK文档明确指出， 这个异常抛出是属于 fail-fast 的一个设计方法， 目的是为了开发者能及早的意识到线程安全问题发生。 但是， 这个fail-fast不是一定会发生， 而是可能会发生的行为。 因此， 在一个不确定状态下的下，jvm线程发生持续100%cpu行为是比较容易理解了（for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next)， 目前只能估计是这个代码进入死循环的状态，还不能非常明确）。

“正确用法”

注意更改HashMap中的内容时是否存在同时并发线程读的情况,如果有, 需要对读写的入口做同步. 如果知道要在多线程情况下读写Map, 建议使用线程安全的ConcurrentHashMap实现代替HashMap。ConcurrentHashMap 可以在不损失线程安全的同时提供很好的并发性。
代码如下：

private
 static
 Map cacheMap = new
 ConcurrentHashMap(7000);
private
 static
 Boolean firstInvoke = true;
程序是设想在第一次开始对该map变量进行初始化
线程1：
Public Object  getMyValue(){
     If(firstInvoke){
        While(i<7000){
…………
cachedMap.put("new"
,"newValue"
);
i++;
}
firstInvoke = false;
}
}

线程2：
在线程1对cachedMap对象put的时候，线程2从这个cachedMap中取值
cachedMap.get("new"
);

上述解决方案的race condition 问题：

这个HashMap不当使用的问题很经典。很多时候我们用“单线程”思维习惯去写代码，不知不觉就忘记了运行时的多线程场景。

其实，我觉得下面的例子中还是有隐含的race condition问题的，那就是在这个if(firstInvoke) then load data and firstInvoke=false这个逻辑中。

 

即：If(firstInvoke){…   //ß 这里可能会导致多条线程同时进入，导致多次load data

通常我们用一个boolean变量来实现lazy操作， 那么在多线程环境下，要记得使用synchronize关键词 或者 采用volatile类型变量+CAS操作，确保变量被每条线程都能正确的读取和写入。

1. 保险的做法 ：（在最新JVM中，这种方式是最安全，最可读，性价比最高的，如果JVM支持锁逃逸即Biased Locking ，性能也会非常好）

Synchronized(lock){
         If(firstInvoke){
             Then load data…
             firstInvoke = false
}
}

2. 或者 ，用volatile变量+DCL

Private volatile
 boolean
 firstInvoke = true;

If(firstInvoke){

     Synchronized(lock){

       If(firstInvoke){

          Then load data …

           firstInvoke = false;

}

}

}

3. SMP 友好，但是偷懒的做法 ，用AtomicBoolean，里面用到了CompareAndSet操作。（volatile只保证变量可见性，Spinning CAS保证操作原子性）

Private AtomicBoolean firstInvoke = new
 AtomicBoolean(true);

If(firstInvoke.getAndSet(false)){ // cas spinning inside the AtomicBoolean::getAndSet() method


  Then load  data…

}

4. 最后，最复杂，但是同时满足SMP友好，及性能最佳的：

private
 AtomicBoolean firstInvoke = new
 AtomicBoolean(true);

for
(;;){

  Boolean current = firstInvoke.get();

  If(!current){     // the most likely condition branch, see http://pt.alibaba-inc.com/wp/dev_related/optimization_363/likely-unlikely.html


     Break;

}

If(firstInvoke.compareAndSet(current,false){

   Then load data…

   Break;

}

}

在××××代码中，为了确保SMP状态下性能最优，我们在某一些关键地方也用到了上面的CAS+spinning的技巧。

我们也许并不会时时刻刻用到“回字的四种写法”，但是搞清楚JVM内存可见性和操作原子性的基本概念还是必须的，这也是确保写出线程安全代码的前提条件）。

 

参考资料：

http://sdh5724.javaeye.com/blog/619130

http://www.tech-faq.com/race-condition.html

《 The Art of Multiprocessor Programming》 http://book.douban.com/subject/3024605/

race condition by @Shawn

 

相关资料：

Java轻量级锁原理详解(Lightweight Locking)

Java偏向锁实现原理(Biased Locking)

深入理解DCL(双检锁)的安全性