Java并发编程：使用Hazard Pointer解决内存回收的安全性问题

Java并发编程：使用Hazard Pointer解决内存回收的安全性问题

大家好，今天我们来聊聊Java并发编程中一个重要的课题：内存回收的安全性问题，以及如何利用Hazard Pointer这一技术来解决这个问题。

在多线程环境下，动态内存管理是一个复杂的问题。传统的垃圾回收机制（GC）虽然能自动回收不再使用的内存，但在某些并发场景下，可能会导致“悬挂指针”（Dangling Pointer）问题，从而引发程序崩溃或数据损坏。想象一下，一个线程正在访问一个对象，而此时GC认为该对象不再被引用，并将其回收，那么该线程访问的实际上是一块已经被释放的内存，这就会产生悬挂指针。

Hazard Pointer提供了一种机制，允许线程“声明”它们正在访问的内存区域，从而防止GC在这些内存区域被访问期间进行回收。这种方法可以有效地避免悬挂指针问题，提高并发程序的稳定性和可靠性。

悬挂指针问题：一个示例

为了更直观地理解悬挂指针问题，我们来看一个简单的示例。假设我们有一个单链表，多个线程可以并发地读取和删除节点。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

class Node {
    int data;
    Node next;

    public Node(int data) {
        this.data = data;
    }
}

class ConcurrentList {
    private AtomicReference<Node> head = new AtomicReference<>();

    public void add(int data) {
        Node newNode = new Node(data);
        newNode.next = head.get();
        while (!head.compareAndSet(newNode.next, newNode)) {
            newNode.next = head.get();
        }
    }

    public boolean remove(int data) {
        Node current = head.get();
        Node previous = null;

        while (current != null) {
            if (current.data == data) {
                if (previous == null) {
                    // Removing the head node
                    while (!head.compareAndSet(current, current.next)) {
                        current = head.get();
                    }
                } else {
                    // Removing a node in the middle or at the end
                    previous.next = current.next;
                }
                return true;
            }
            previous = current;
            current = current.next;
        }
        return false;
    }

    public boolean contains(int data) {
        Node current = head.get();
        while (current != null) {
            if (current.data == data) {
                return true;
            }
            current = current.next;
        }
        return false;
    }

    public void printList() {
        Node current = head.get();
        while (current != null) {
            System.out.print(current.data + " ");
            current = current.next;
        }
        System.out.println();
    }
}

public class DanglingPointerExample {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ConcurrentList list = new ConcurrentList();
        list.add(1);
        list.add(2);
        list.add(3);

        Thread readerThread = new Thread(() -> {
            while (true) {
                if (list.contains(2)) {
                    System.out.println("Reader: Found 2");
                } else {
                    System.out.println("Reader: Not found 2");
                }
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });

        Thread removerThread = new Thread(() -> {
            while (true) {
                if (list.remove(2)) {
                    System.out.println("Remover: Removed 2");
                }
                try {
                    Thread.sleep(20);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });

        readerThread.start();
        removerThread.start();

        Thread.sleep(1000);
        readerThread.interrupt();
        removerThread.interrupt();
    }
}

在这个例子中，readerThread 循环查找值为2的节点，removerThread 循环删除值为2的节点。如果 removerThread 删除了 readerThread 正在访问的节点，并且GC恰好在这个时候回收了该节点的内存，那么 readerThread 再次访问该节点时就会遇到悬挂指针问题。虽然在这个简化的例子里不太可能出现明显的崩溃，但在更复杂的场景下，这种问题会导致不可预测的错误。

Hazard Pointer：原理与实现

Hazard Pointer的核心思想是：每个线程维护一个或多个Hazard Pointer，用于指向它当前正在访问的对象。GC在回收内存之前，会检查这些Hazard Pointer，如果发现有Hazard Pointer指向某个对象，则该对象不能被回收。

简而言之，Hazard Pointer相当于线程向GC声明：“嘿，我在用这个东西，你别动它！”

以下是一个简单的Hazard Pointer实现：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class HazardPointer<T> {

    private static final int NUM_HAZARDS = 3; // 每个线程持有的 hazard pointer 数量

    // 每个线程的 hazard pointer 集合
    private static final ThreadLocal<List<AtomicReference<Object>>> hazards = ThreadLocal.withInitial(() -> {
        List<AtomicReference<Object>> list = new ArrayList<>(NUM_HAZARDS);
        for (int i = 0; i < NUM_HAZARDS; i++) {
            list.add(new AtomicReference<>(null));
        }
        return list;
    });

    // 全局的待回收对象列表
    private static final List<Object> retiredList = new ArrayList<>();

    // 用于同步对 retiredList 的访问
    private static final Object retiredListLock = new Object();

    // 获取一个可用的 hazard pointer
    private static AtomicReference<Object> acquireHazard() {
        List<AtomicReference<Object>> hazardList = hazards.get();
        for (AtomicReference<Object> hazard : hazardList) {
            if (hazard.compareAndSet(null, NULL_HAZARD)) { // 使用 NULL_HAZARD 作为占位符
                return hazard;
            }
        }
        throw new IllegalStateException("No available hazard pointers!");
    }

    // 释放 hazard pointer
    private static void releaseHazard(AtomicReference<Object> hazard) {
        hazard.set(null);
    }

    // 设置 hazard pointer 指向对象
    public static <T> T protect(AtomicReference<T> ref) {
        AtomicReference<Object> hazard = acquireHazard();
        try {
            T obj = ref.get();
            hazard.set(obj);
            // Double-check: 确保在设置 hazard pointer 之后，对象没有被修改
            if (obj != ref.get()) {
                releaseHazard(hazard);
                return null; // 对象已被修改，返回 null，表示保护失败
            }
            return obj;
        } finally {
            releaseHazard(hazard);
        }
    }

    // 回收对象
    public static void retire(Object obj) {
        synchronized (retiredListLock) {
            retiredList.add(obj);
        }
        reclaim();
    }

    private static final Object NULL_HAZARD = new Object(); // 用于标记 hazard pointer 已被占用

    // 实际的回收逻辑
    private static void reclaim() {
        List<Object> toReclaim = new ArrayList<>();
        synchronized (retiredListLock) {
            // 遍历待回收列表
            for (Object obj : retiredList) {
                boolean safeToReclaim = true;
                // 遍历所有线程的 hazard pointer
                for (List<AtomicReference<Object>> hazardList : getAllHazards()) {
                    for (AtomicReference<Object> hazard : hazardList) {
                        Object protectedObj = hazard.get();
                        if (protectedObj == obj) {
                            safeToReclaim = false;
                            break; // 仍然有线程持有该对象的 hazard pointer
                        }
                        if(protectedObj == NULL_HAZARD) {
                            continue; //hazard pointer 空闲
                        }
                    }
                    if (!safeToReclaim) {
                        break;
                    }
                }
                if (safeToReclaim) {
                    toReclaim.add(obj);
                }
            }
            retiredList.removeAll(toReclaim);
        }

        // 实际的内存回收（在这里可以执行真正的清理操作，例如释放资源）
        for (Object obj : toReclaim) {
            // 执行清理操作，例如释放资源、置空引用等
            System.out.println("Reclaiming object: " + obj);
        }
    }

    // 获取所有线程的 hazard pointer 集合
    private static List<List<AtomicReference<Object>>> getAllHazards() {
        // 这部分需要更复杂的实现，因为无法直接访问所有线程的 ThreadLocal 变量。
        // 在实际应用中，可以使用一个全局的注册表来维护所有线程的 hazards 列表。
        // 这里为了简化，仅返回当前线程的 hazards 列表。
        List<List<AtomicReference<Object>>> allHazards = new ArrayList<>();
        allHazards.add(hazards.get());
        return allHazards;
    }
}

这个 HazardPointer 类提供以下几个关键方法：

• protect(AtomicReference<T> ref): 线程在访问一个对象之前，调用此方法来设置 Hazard Pointer。它尝试获取一个可用的Hazard Pointer，然后将其指向 ref 指向的对象。如果获取Hazard Pointer失败，或者在设置Hazard Pointer期间对象被修改，则返回 null。这个方法会尝试 double-check 保护的对象是否发生了改变，如果改变了，就会释放掉Hazard Pointer。
• retire(Object obj): 当一个对象不再被使用时，调用此方法将其添加到待回收列表。
• reclaim(): 定期调用此方法，检查待回收列表中的对象是否可以安全回收。它会遍历所有线程的 Hazard Pointer，如果发现没有 Hazard Pointer 指向某个对象，则该对象可以被回收。

核心逻辑流程：

1. 设置 Hazard Pointer (protect): 线程尝试获取一个可用的 Hazard Pointer，并将其指向它即将访问的对象。
2. 对象退休 (retire): 当对象不再使用时，将其添加到全局的待回收列表 retiredList 中。
3. 内存回收 (reclaim): reclaim 方法定期被调用，它会遍历 retiredList 中的每个对象，并检查是否有任何线程的 Hazard Pointer 仍然指向该对象。如果没有，则认为该对象可以安全回收，并执行实际的回收操作。

重要数据结构：

数据结构	描述
hazards	ThreadLocal<List<AtomicReference<Object>>>，每个线程维护的 Hazard Pointer 列表。
retiredList	List<Object>，全局的待回收对象列表。
retiredListLock	用于同步对 retiredList 的访问的锁。

解决悬挂指针问题的步骤：

1. 替换直接访问： 将直接访问共享对象的代码替换为使用 HazardPointer.protect() 方法来获取对象。
2. 对象退休： 当对象不再被引用时，调用 HazardPointer.retire() 方法将其加入待回收列表。
3. 定期回收： 定期调用 HazardPointer.reclaim() 方法来执行实际的内存回收。

在并发链表中应用 Hazard Pointer

现在，我们将 Hazard Pointer 应用到之前的并发链表示例中，以解决悬挂指针问题。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

class Node {
    int data;
    AtomicReference<Node> next = new AtomicReference<>();

    public Node(int data) {
        this.data = data;
    }
}

class ConcurrentListWithHazardPointer {
    private AtomicReference<Node> head = new AtomicReference<>();

    public void add(int data) {
        Node newNode = new Node(data);
        Node currentHead = head.get();
        newNode.next.set(currentHead);
        while (!head.compareAndSet(currentHead, newNode)) {
            currentHead = head.get();
            newNode.next.set(currentHead);
        }
    }

    public boolean remove(int data) {
        Node current = head.get();
        Node previous = null;

        while (current != null) {
            Node protectedCurrent = HazardPointer.protect(new AtomicReference<>(current));
            if (protectedCurrent == null) {
                current = head.get(); //retry from head
                previous = null;
                continue;
            }
            if (protectedCurrent.data == data) {
                if (previous == null) {
                    // Removing the head node
                    if (head.compareAndSet(current, current.next.get())) {
                        HazardPointer.retire(current);
                        return true;
                    } else {
                        // CAS failed, retry
                        HazardPointer.reclaim(); // 执行一次清理，避免 retired list 过大
                        return false;
                    }

                } else {
                    // Removing a node in the middle or at the end
                    previous.next.set(current.next.get());
                    HazardPointer.retire(current);
                    return true;
                }
            }
            previous = current;
            current = current.next.get();
        }
        return false;
    }

    public boolean contains(int data) {
        Node current = head.get();
        while (current != null) {
            Node protectedCurrent = HazardPointer.protect(new AtomicReference<>(current));
            if (protectedCurrent == null) {
                current = head.get(); //retry from head
                continue;
            }
            if (protectedCurrent.data == data) {
                return true;
            }
            current = current.next.get();
        }
        return false;
    }

    public void printList() {
        Node current = head.get();
        while (current != null) {
            Node protectedCurrent = HazardPointer.protect(new AtomicReference<>(current));
            if (protectedCurrent == null) {
                current = head.get(); //retry from head
                continue;
            }
            System.out.print(protectedCurrent.data + " ");
            current = current.next.get();
        }
        System.out.println();
    }
}

public class HazardPointerExample {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ConcurrentListWithHazardPointer list = new ConcurrentListWithHazardPointer();
        list.add(1);
        list.add(2);
        list.add(3);

        Thread readerThread = new Thread(() -> {
            while (true) {
                if (list.contains(2)) {
                    System.out.println("Reader: Found 2");
                } else {
                    System.out.println("Reader: Not found 2");
                }
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                HazardPointer.reclaim(); // 定期清理
            }
        });

        Thread removerThread = new Thread(() -> {
            while (true) {
                if (list.remove(2)) {
                    System.out.println("Remover: Removed 2");
                }
                try {
                    Thread.sleep(20);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                HazardPointer.reclaim(); // 定期清理
            }
        });

        readerThread.start();
        removerThread.start();

        Thread.sleep(1000);
        readerThread.interrupt();
        removerThread.interrupt();
    }
}

在这个修改后的例子中，我们做了以下更改：

• 在 contains(), remove() 和 printList() 方法中，我们使用 HazardPointer.protect() 来获取节点。这确保了在访问节点期间，GC不会回收该节点的内存。
• 在 remove() 方法中，当节点被删除后，我们调用 HazardPointer.retire() 将其添加到待回收列表。
• 我们定期调用 HazardPointer.reclaim() 来执行实际的内存回收。

考虑事项与优化

• Hazard Pointer的数量： 每个线程持有的 Hazard Pointer 的数量需要仔细选择。数量太少可能导致保护失败，数量太多则会增加内存开销。上面的代码中定义了NUM_HAZARDS。
• 全局注册表： getAllHazards() 方法需要一个全局注册表来维护所有线程的 Hazard Pointer 列表。这可以通过使用 ConcurrentHashMap 或其他并发数据结构来实现。上面的代码中为了简化，只是返回当前线程的hazard，这在实际应用中是不够的。
• 性能开销： Hazard Pointer 会引入一定的性能开销，因为需要额外的内存访问和同步操作。因此，应该只在确实需要避免悬挂指针的场景下使用。
• 延迟回收： Hazard Pointer 是一种延迟回收机制。这意味着被删除的对象可能不会立即被回收，而是会保留一段时间，直到没有线程持有该对象的 Hazard Pointer。
• GC的配合： Hazard Pointer 并不能完全替代 GC。它只是作为 GC 的补充，用于解决特定的并发内存管理问题。

Hazard Pointer 的局限性

虽然 Hazard Pointer 是一种有效的解决并发内存回收问题的技术，但它也有一些局限性：

• 复杂性： Hazard Pointer 的实现和使用相对复杂，需要仔细考虑各种并发场景，容易出错。
• 性能开销： Hazard Pointer 会引入额外的内存访问和同步开销，可能会降低程序的性能。
• 非侵入性较低： 使用 Hazard Pointer 需要修改现有的代码，将直接内存访问替换为通过 Hazard Pointer 进行保护的访问，这可能会影响代码的可维护性。
• 需要手动管理： 程序员需要手动设置和释放 Hazard Pointer，以及定期触发内存回收，增加了开发负担。
• 无法处理所有类型的内存问题： Hazard Pointer 主要用于解决悬挂指针问题，对于其他类型的内存错误，例如内存泄漏，则无能为力。

其他替代方案

除了 Hazard Pointer，还有其他一些技术可以用于解决并发内存回收问题：

• Read-Copy-Update (RCU)： RCU 是一种更加轻量级的技术，适用于读多写少的场景。它允许多个线程并发地读取数据，而更新操作则通过复制数据来实现。
• Epoch-Based Reclamation (EBR)： EBR 是一种基于时间周期的内存回收技术。它将时间划分为多个 Epoch，每个线程在进入一个新的 Epoch 之前，需要声明它正在访问的内存区域。
• Java 9 中的 VarHandle： VarHandle 提供了一种低级别的内存访问机制，可以用于实现更高级的并发数据结构和算法，包括无锁数据结构和并发内存回收机制。

选择哪种技术取决于具体的应用场景和性能需求。

结论

Hazard Pointer 是一种有效的并发内存管理技术，可以用于解决悬挂指针问题，提高并发程序的稳定性和可靠性。但是，它也存在一定的复杂性和性能开销，需要仔细评估和选择。在实际应用中，应该根据具体的场景选择最合适的并发内存管理技术。

理解 Hazard Pointer 的原理和实现对于编写健壮的并发程序至关重要。通过使用 Hazard Pointer，我们可以避免悬挂指针问题，并确保并发程序在多线程环境下能够正确运行。

对并发内存管理的一些思考

总而言之，并发内存管理是一个复杂而重要的课题。Hazard Pointer 提供了一种解决悬挂指针问题的有效途径，但并非银弹。理解其原理、权衡其优缺点，并根据具体场景选择最适合的方案，是并发编程工程师必备的技能。持续学习和探索新的并发技术，才能构建出更加健壮、高效的并发系统。