对Java线程安全与不安全的理解

水深无声 2022-07-14 15:46 165阅读 0赞

当我们查看JDK API的时候，总会发现一些类说明写着，线程安全或者线程不安全，比如说到StringBuilder中，有这么一句，“将StringBuilder 的实例用于多个线程是不安全的。如果需要这样的同步，则建议使用StringBuffer。”，提到StringBuffer时，说到“StringBuffer是线程安全的可变字符序列，一个类似于String的字符串缓冲区，虽然在任意时间点上它都包含某种特定的字符序列，但通过某些方法调用可以改变该序列的长度和内容。可将字符串缓冲区安全地用于多个线程。可以在必要时对这些方法进行同步，因此任意特定实例上的所有操作就好像是以串行顺序发生的，该顺序与所涉及的每个线程进行的方法调用顺序一致”。StringBuilder是一个可变的字符序列，此类提供一个与StringBuffe兼容的API，但不保证同步。该类被设计用作StringBuffer的一个简易替换，用在字符串缓冲区被单个线程使用的时候（这种情况很普遍）。如果可能，建议优先采用该类，因为在大多数实现中，它比StringBuffer要快。将StringBuilder的实例用于多个线程是不安全的，如果需要这样的同步，则建议使用StringBuffer。

根据以上JDK文档中对StringBuffer和StringBuilder的描述，得到对String、StringBuilder与StringBuffer三者使用情况的总结：  
　　 1、如果要操作少量的数据用String  
　　 2、单线程操作字符串缓冲区下操作大量数据StringBuilder  
　　 3、多线程操作字符串缓冲区下操作大量数据StringBuffer

那么下面手动创建一个线程不安全的类，然后在多线程中使用这个类，看看有什么效果。

public class Count { 
        private int num;
        //public void count() { 
        // for(int i = 1; i <= 100; i++) { 
        // num += i;
        // }
        // System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-" + num);
        //}
    
        public int getNum() { 
            return num;
        }
    
        public void increment(int i) { 
            num = num + i;
        }
    }

在这个类中的increment方法实现num变量与指定变量作加法。

public class ThreadTest { 
        public static void main(String[] args) { 
            Runnable runnable = new Runnable() { 
                Count count = new Count();
                @Override
                public void run() { 
                    for (int i = 0; i < 1000; i++) { 
                        count.increment(1);
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-" + count.getNum());
                    try { 
                        Thread.sleep(2);
                    } catch (InterruptedException e) { 
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            };
    
            for(int i = 0; i < 10; i++) { 
                Thread thread = new Thread(runnable);
                thread.start();
            }
        }
    }

这里启动了10个线程，看一下输出结果：

Thread-0-1660
    Thread-2-2660
    Thread-3-3660
    Thread-1-1660
    Thread-4-4882
    Thread-5-5579
    Thread-6-6579
    Thread-7-7579
    Thread-8-8579
    Thread-9-9579

期望的结果是每个线程都能输出1000，但实际上每个线程的输出值都不一样而且不是整数，多运行几次每次的输出结果都不一样，要想得到我们期望的结果，有几种解决方案：

1、将累加逻辑移到Count类中，并且使用局部变量而不是成员变量；

public class Count { 
        public void count() { 
            int number = 0;
            for(int i = 0; i < 1000; i++) { 
                number += 1;
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-" + number);
        }
    }

public class ThreadTest { 
        public static void main(String[] args) { 
            Runnable runnable = new Runnable() { 
                Count count = new Count();
                @Override
                public void run() { 
                    count.count();
                    try { 
                        Thread.sleep(2);
                    } catch (InterruptedException e) { 
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            };
    
            for(int i = 0; i < 10; i++) { 
                Thread thread = new Thread(runnable);
                thread.start();
            }
        }
    }

运行结果如下：

Thread-0-1000
    Thread-3-1000
    Thread-4-1000
    Thread-1-1000
    Thread-2-1000
    Thread-5-1000
    Thread-6-1000
    Thread-7-1000
    Thread-8-1000
    Thread-9-1000

2、将线程类成员变量拿到run方法中，这时count引用是线程内的局部变量；

public class ThreadTest { 
        public static void main(String[] args) { 
            Runnable runnable = new Runnable() { 
                @Override
                public void run() { 
                    Count count = new Count();
                    for (int i = 0; i < 1000; i++) { 
                        count.increment(1);
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-" + count.getNum());
                    try { 
                        Thread.sleep(2);
                    } catch (InterruptedException e) { 
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            };
    
            for(int i = 0; i < 10; i++) { 
                Thread thread = new Thread(runnable);
                thread.start();
            }
        }
    }

运行结果如下：

Thread-1-1000
    Thread-3-1000
    Thread-2-1000
    Thread-0-1000
    Thread-5-1000
    Thread-4-1000
    Thread-6-1000
    Thread-7-1000
    Thread-8-1000
    Thread-9-1000

3、每次启动一个线程使用不同的线程类，不推荐。

通过上述测试，我们发现，存在成员变量的类（即有状态的类）用于多线程时是不安全的，不安全体现在这个成员变量可能发生非原子性的操作，而变量定义在方法内也就是局部变量是线程安全的。想想在使用struts1时，不推荐创建成员变量，因为action是单例的，如果创建了成员变量，就会存在线程不安全的隐患，而struts2是每一次请求都会创建一个action，就不用考虑线程安全的问题。所以，日常开发中，通常需要考虑成员变量或者说全局变量在多线程环境下，是否会引发一些问题。

要说明线程同步问题首先要说明Java线程的两个特性，可见性和有序性。

多个线程之间是不能直接传递数据进行交互的，它们之间的交互只能通过共享变量来实现。拿上面的例子来说明，在多个线程之间共享了Count类的一个实例，这个对象是被创建在主内存（堆内存）中，每个线程都有自己的工作内存（线程栈），工作内存存储了主内存count对象的一个副本，当线程操作count对象时，首先从主内存复制count对象到工作内存中，然后执行代码count.count()，改变了num值，最后用工作内存中的count刷新主内存的 count。当一个对象在多个工作内存中都存在副本时，如果一个工作内存刷新了主内存中的共享变量，其它线程也应该能够看到被修改后的值，此为可见性。

多个线程执行时，CPU对线程的调度是随机的，我们不知道当前程序被执行到哪步就切换到了下一个线程，一个最经典的例子就是银行汇款问题，一个银行账户存款100，这时一个人从该账户取10元，同时另一个人向该账户汇10元，那么余额应该还是100。那么此时可能发生这种情况，A线程负责取款，B线程负责汇款，A从主内存读到100，B从主内存读到100，A执行减10操作，并将数据刷新到主内存，这时主内存数据100-10=90，而B内存执行加10操作，并将数据刷新到主内存，最后主内存数据100+10=110，显然这是一个严重的问题，我们要保证A线程和B线程有序执行，先取款后汇款或者先汇款后取款，此为有序性。

在Web开发方面，Servlet是否是线程安全的呢？

Servlet不是线程安全的。要解释为什么Servlet为什么不是线程安全的，需要了解Servlet容器（如Tomcat）是如何响应HTTP请求的。当Tomcat接收到Client的HTTP请求时，Tomcat从线程池中取出一个线程，之后找到该请求对应的Servlet对象并进行初始化，之后调用service()方法。要注意的是每一个Servlet对象在Tomcat容器中只有一个实例对象，即是单例模式。如果多个HTTP请求请求的是同一个Servlet，那么这两个HTTP请求对应的线程将并发调用Servlet的service()方法。 如果的Thread1和Thread2调用了同一个Servlet1，Servlet1中定义了成员变量或静态变量，那么可能会发生线程安全问题（因为所有的线程都可能使用这些变量）。

像Servlet这样的类，在Web 容器中创建以后，会被传递给每个访问Web应用的用户线程执行，这个类就不是线程安全的。但这并不意味着一定会引发线程安全问题，如果Servlet类里没有成员变量，即使多线程同时执行这个Servlet实例的方法，也不会造成成员变量冲突。这种对象被称作无状态对象，也就是说对象不记录状态，执行这个对象的任何方法都不会改变对象的状态，也就不会有线程安全问题了。事实上，Web开发实践中，常见的Service类、DAO类，都被设计成无状态对象，所以虽然我们开发的Web应用都是多线程的应用，因为Web容器一定会创建多线程来执行我们的代码，但是我们开发中却可以很少考虑线程安全的问题。