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详解java安全编码指南之可见性和原子性

2024-04-02 19:04:59 591人浏览独家记忆

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摘要

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

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 {
    private  ImmutableObject 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 AtomicReference<ImmutableObject> refObject= 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。