详解java安全编码指南之可见性和原子性
目录
- 不可变对象的可见性
- 保证共享变量的复合操作的原子性
- 保证多个Atomic原子类操作的原子性
- 保证方法调用链的原子性
- 读写64bits的值
不可变对象的可见性 不可变对象就是初始化之后不能够被修改的对象,那么是不是类中引入了不可变对象,所有对不可变对象的修改都立马对所有线程可见呢?
实际上,不可变对象只能保证在多线程环境中,对象使用的安全性,并不能够保证对象的可见性。
先来讨论一下可变性,我们考虑下面的一个例子:
public final class ImmutableObject {private final int age; public ImmutableObject(int age){this.age=age; }}
我们定义了一个ImmutableObject对象,class是final的,并且里面的唯一字段也是final的。所以这个ImmutableObject初始化之后就不能够改变。
然后我们定义一个类来get和set这个ImmutableObject:
public class ObjectWithNothing {private ImmutableObject refObject; public ImmutableObject getImmutableObject(){return refObject; }public void setImmutableObject(int age){this.refObject=new ImmutableObject(age); }}
上面的例子中,我们定义了一个对不可变对象的引用refObject,然后定义了get和set方法。
注意,虽然ImmutableObject这个类本身是不可变的,但是我们对该对象的引用refObject是可变的。这就意味着我们可以调用多次setImmutableObject方法。
再来讨论一下可见性。
上面的例子中,在多线程环境中,是不是每次setImmutableObject都会导致getImmutableObject返回一个新的值呢?
答案是否定的。
当把源码编译之后,在编译器中生成的指令的顺序跟源码的顺序并不是完全一致的。处理器可能采用乱序或者并行的方式来执行指令(在JVM中只要程序的最终执行结果和在严格串行环境中执行结果一致,这种重排序是允许的)。并且处理器还有本地缓存,当将结果存储在本地缓存中,其他线程是无法看到结果的。除此之外缓存提交到主内存的顺序也肯能会变化。
怎么解决呢?
最简单的解决可见性的办法就是加上volatile关键字,volatile关键字可以使用java内存模型的happens-before规则,从而保证volatile的变量修改对所有线程可见。
public class ObjectWithVolatile {private volatile ImmutableObject refObject; public ImmutableObject getImmutableObject(){return refObject; }public void setImmutableObject(int age){this.refObject=new ImmutableObject(age); }}
另外,使用锁机制,也可以达到同样的效果:
public class ObjectWithSync {privateImmutableObject refObject; public synchronized ImmutableObject getImmutableObject(){return refObject; }public synchronized void setImmutableObject(int age){this.refObject=new ImmutableObject(age); }}
最后,我们还可以使用原子类来达到同样的效果:
public class ObjectWithAtomic {private final AtomicReferencerefObject= new AtomicReference<>(); public ImmutableObject getImmutableObject(){return refObject.get(); }public void setImmutableObject(int age){refObject.set(new ImmutableObject(age)); }}
保证共享变量的复合操作的原子性 如果是共享对象,那么我们就需要考虑在多线程环境中的原子性。如果是对共享变量的复合操作,比如:++, -- *=, /=, %=, +=, -=, <<=, >>=, >>>=, ^= 等,看起来是一个语句,但实际上是多个语句的集合。
我们需要考虑多线程下面的安全性。
考虑下面的例子:
public class CompoundOper1 {private int i=0; public int increase(){i++; return i; }}
例子中我们对int i进行累加操作。但是++实际上是由三个操作组成的:
1.从内存中读取i的值,并写入CPU寄存器中。
2.CPU寄存器中将i值+1
3.将值写回内存中的i中。
如果在单线程环境中,是没有问题的,但是在多线程环境中,因为不是原子操作,就可能会发生问题。
解决办法有很多种,第一种就是使用synchronized关键字
public synchronized int increaseSync(){i++; return i; }
第二种就是使用lock:
private final ReentrantLock reentrantLock=new ReentrantLock(); public int increaseWithLock(){try{reentrantLock.lock(); i++; return i; }finally {reentrantLock.unlock(); }}
第三种就是使用Atomic原子类:
private AtomicInteger atomicInteger=new AtomicInteger(0); public int increaseWithAtomic(){return atomicInteger.incrementAndGet(); }
保证多个Atomic原子类操作的原子性 如果一个方法使用了多个原子类的操作,虽然单个原子操作是原子性的,但是组合起来就不一定了。
我们看一个例子:
public class CompoundAtomic {private AtomicInteger atomicInteger1=new AtomicInteger(0); private AtomicInteger atomicInteger2=new AtomicInteger(0); public void update(){atomicInteger1.set(20); atomicInteger2.set(10); }public int get() {return atomicInteger1.get()+atomicInteger2.get(); }}
上面的例子中,我们定义了两个AtomicInteger,并且分别在update和get操作中对两个AtomicInteger进行操作。
虽然AtomicInteger是原子性的,但是两个不同的AtomicInteger合并起来就不是了。在多线程操作的过程中可能会遇到问题。
同样的,我们可以使用同步机制或者锁来保证数据的一致性。
保证方法调用链的原子性 如果我们要创建一个对象的实例,而这个对象的实例是通过链式调用来创建的。那么我们需要保证链式调用的原子性。
考虑下面的一个例子:
public class ChainedMethod {private int age=0; private String name=""; private String adress=""; public ChainedMethod setAdress(String adress) {this.adress = adress; return this; }public ChainedMethod setAge(int age) {this.age = age; return this; }public ChainedMethod setName(String name) {this.name = name; return this; }}
很简单的一个对象,我们定义了三个属性,每次set都会返回对this的引用。
我们看下在多线程环境下面怎么调用:
ChainedMethod chainedMethod= new ChainedMethod(); Thread t1 = new Thread(() -> chainedMethod.setAge(1).setAdress("www.flydean.com1").setName("name1")); t1.start(); Thread t2 = new Thread(() -> chainedMethod.setAge(2).setAdress("www.flydean.com2").setName("name2")); t2.start();
因为在多线程环境下,上面的set方法可能会出现混乱的情况。
怎么解决呢?我们可以先创建一个本地的副本,这个副本因为是本地访问的,所以是线程安全的,最后将副本拷贝给新创建的实例对象。
主要的代码是下面样子的:
public class ChainedMethodWithBuilder {private int age=0; private String name=""; private String adress=""; public ChainedMethodWithBuilder(Builder builder){this.adress=builder.adress; this.age=builder.age; this.name=builder.name; }public static class Builder{private int age=0; private String name=""; private String adress=""; public static Builder newInstance(){return new Builder(); }private Builder() {}public Builder setName(String name) {this.name = name; return this; }public Builder setAge(int age) {this.age = age; return this; }public Builder setAdress(String adress) {this.adress = adress; return this; }public ChainedMethodWithBuilder build(){return new ChainedMethodWithBuilder(this); }}
我们看下怎么调用:
final ChainedMethodWithBuilder[] builder = new ChainedMethodWithBuilder[1]; Thread t1 = new Thread(() -> {builder[0] =ChainedMethodWithBuilder.Builder.newInstance().setAge(1).setAdress("www.flydean.com1").setName("name1").build(); }); t1.start(); Thread t2 = new Thread(() ->{builder[0] =ChainedMethodWithBuilder.Builder.newInstance().setAge(1).setAdress("www.flydean.com1").setName("name1").build(); }); t2.start();
因为lambda表达式中使用的变量必须是final或者final等效的,所以我们需要构建一个final的数组。
读写64bits的值 在java中,64bits的long和double是被当成两个32bits来对待的。
所以一个64bits的操作被分成了两个32bits的操作。从而导致了原子性问题。
考虑下面的代码:
public class LongUsage {private long i =0; public void setLong(long i){this.i=i; }public void printLong(){System.out.println("i="+i); }}
因为long的读写是分成两部分进行的,如果在多线程的环境中多次调用setLong和printLong的方法,就有可能会出现问题。
解决办法本简单,将long或者double变量定义为volatile即可。
private volatile long i = 0;
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