局部变量与成员变量的线程安全分析

￡神魔★判官ぃ 2022-11-17 03:38 220阅读 0赞

### 局部变量与成员变量的线程安全分析 ###

#### 前言 ####

观看[黑马程序员全面深入学习java并发编程][java]遇到了疑问，进行总结，同时发现了一篇文章写的也不错，是根据视频进行的总结。[https://blog.csdn.net/m0\_37989980/article/details/111400237][https_blog.csdn.net_m0_37989980_article_details_111400237]

#### 线程安全分析 ####

**成员变量和静态变量是否线程安全？**

*  如果它们没有共享，则线程安全
 *  如果它们被共享了，根据它们的状态是否能够改变，又分两种情况
    
     *  如果只有读操作，则线程安全
     *  如果有读写操作，则这段代码是临界区，需要考虑线程安全

**局部变量是否线程安全？**

*  局部变量是线程安全的
 *  但局部变量引用的对象则未必
    
     *  如果该对象没有逃离方法的作用访问，它是线程安全的
     *  如果该对象逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全

#### 成员变量示例 ####

static final int THREAD_NUMBER = 2;
        static final int LOOP_NUMBER = 200;
        public static void main(String[] args) { 
            ThreadUnsafe test = new ThreadUnsafe();
            for (int i = 0; i < THREAD_NUMBER; i++) { 
                new Thread(() -> { 
                    test.method1(LOOP_NUMBER);
                }, "Thread" + i).start();
            }
        }
    
    class ThreadUnsafe { 
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        public void method1(int loopNumber) { 
            for (int i = 0; i < loopNumber; i++) { 
                // { 临界区, 会产生竞态条件
                method2();
                method3();
                // } 临界区
            }
        }
        private void method2() { 
            list.add("1");
        }
        private void method3() { 
            list.remove(0);
        }
    }

**报错分析**

**因为list是成员变量，无论哪个线程中的 method2 引用的都是同一个堆中的 list 成员变量**

**此时list存在并发问题，因为多个Thread使用的同一个list，在并发情况下add操作可能被覆盖，导致remove的比add的多从而报错**

![image-20210408085806689][]

#### **局部变量示例** ####

class ThreadSafe { 
        public final void method1(int loopNumber) { 
            ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
            for (int i = 0; i < loopNumber; i++) { 
                method2(list);
                method3(list);
            }
        }
        private void method2(ArrayList<String> list) { 
            list.add("1");
        }
        private void method3(ArrayList<String> list) { 
            list.remove(0);
        }
    }

**分析**

list 是局部变量，每个线程调用时会创建其不同实例，没有共享，所以list不存在并发问题

而 method2 的参数是从 method1 中传递过来的，与 method1 中引用同一个对象  
![image-20210408090418156][]

#### **继承父类线程不安全示例** ####

对上方代码的method3进行重写后，出现线程不安全

class ThreadSafeSubClass extends ThreadSafe{ 
        @Override
        public void method3(ArrayList<String> list) { 
            new Thread(() -> { 
                list.remove(0);
            }).start();
        }
    }

**报错分析**

对父类的method3进行重写后，method3新开线程操作list，所以每个thread中method1线程和method2是主线程，到了method3新开线程，method2和method3是不同的线程共享list，存在线程安全问题

**然而list是局部变量，每个method1的thread不共享list，为什么还会不安全？**

本来猜测是不是多线程并发导致的list的add出现覆盖问题，但是局部变量的list是线程私有，不该有问题，于是我把主函数就设了一个线程，加大了method1中循环次数，发现仍然有问题，错误锁定在了method2和method3的执行顺序问题

因为在method1中的for循环，由于method3新开了线程，所以这里method2和method3没有防止指令重排，执行顺序会出问题。

在上一个局部变量示例中，没对method3进行重写，我对线程进行了输出，1，0交错打印

public void method2(ArrayList<String> list) { 
            System.out.println((Thread.currentThread() + "1"));
        }
        public void method3(ArrayList<String> list) { 
            System.out.println((Thread.currentThread() + "0"));
        }

![image-20210408091447937][]

在重写之后，我发现for循环并不是按顺序执行的，可能method3会在method2之前执行，这就导致了remove发生错误

**这里我猜测是因为原本的局部变量示例method2和method3是在同一个线程中，需根据*as*\-*if*\-*serial*语义，进行了指令重排，保证method3在method2之后执行**

**而重写method3之后，method2和method3在不同线程，所以可能导致method3被指令重排到之前执行，出现问题**

public void method3(ArrayList<String> list) { 
            new Thread(() -> { 
                System.out.println((Thread.currentThread() + "0"));
            }).start();
        }

\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-yUXLLMGS-1617846620121)(https://i.loli.net/2021/04/08/1SQpaOPHfRNrG58.png)\]

![image-20210408091838411][]  
![image-20210408091527102][]

#### 完整代码 ####

package com.apollo.day02;
    
    import java.util.ArrayList;
    
    public class demo1 { 
        public static void main(String[] args) { 
            ThreadSafeSubClass test = new ThreadSafeSubClass();
            for(int i = 0 ; i < 1; i++){ 
                new Thread(()->{ 
                    test.method1(20000);
                }, "Thread" + (i + 1)).start();
            }
        }
    
    }
    class ThreadSafe { 
        public void method1(int loopNumber) { 
            ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
            for (int i = 0; i < loopNumber; i++) { 
                method2(list);
                method3(list);
            }
        }
        public void method2(ArrayList<String> list) { 
    // list.add("1");
            System.out.println((Thread.currentThread() + "1"));
        }
        public void method3(ArrayList<String> list) { 
    // list.remove(0);
            System.out.println((Thread.currentThread() + "0"));
        }
    }
    
    class ThreadSafeSubClass extends ThreadSafe{ 
        @Override
        public void method3(ArrayList<String> list) { 
            new Thread(() -> { 
    // list.remove(0);
                System.out.println((Thread.currentThread() + "0"));
            }).start();
        }
    }

#### final和private的必要性 ####

**根据上一个例子，我们可以用final禁止类被继承，防止子类重写方法搞事情，也可以直接把方法设为private禁止重写。**

方法访问修饰符带来的思考: 如果把上述例子2中的method2和method3 的方法修改为public 会不会导致线程安全问题;

分情况:  
**情况1：有其它线程调用 method2 和 method3**  
只修改为public修饰,此时不会出现线程安全的问题, 即使线程2调用method2/3方法, 给2/3方法传过来的list对象也是线程2调用method1方法时,传递给method2/3的list对象, 不可能是线程1调用method1方法传的对象。

**情况2：在情况1 的基础上，为ThreadSafe 类添加子类**，子类覆盖method2 或 method3方法，即如下所示： 从这个例子可以看出 private 或 final 提供【安全】的意义所在，请体会开闭原则中的【闭】

> 如果改为public, 此时子类可以重写父类的方法, 在子类中开线程来操作list对象, 此时就会出现线程安全问题:  
> 子类和父类共享了list对象 如果改为private, 子类就不能重写父类的私有方法, 也就不会出现线程安全问题;  
> 所以所private修饰符是可以避免线程安全问题. 所以如果不想子类, 重写父类的方法的时候, 我们可以将父类中的方法设置为private,  
> final修饰的方法, 此时子类就无法影响父类中的方法了!

[java]: https://www.bilibili.com/video/BV16J411h7Rd?p=65
[https_blog.csdn.net_m0_37989980_article_details_111400237]: https://blog.csdn.net/m0_37989980/article/details/111400237
[image-20210408085806689]: /images/20221022/b1b30ba796584338b94c022e33022745.png
[image-20210408090418156]: /images/20221022/bb4075ebd6ff41ed8a977e1faff49195.png
[image-20210408091447937]: /images/20221022/e69ec815071d41f3a807097075e098d1.png
[image-20210408091838411]: /images/20221022/57cb15ab31d64f8aa20a4d3643eeeccc.png
[image-20210408091527102]: /images/20221022/9e06c9d771e443828b802617d76857ac.png

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