Java多线程-线程安全问题的原因和解决方案

曾经终败给现在 2023-09-27 17:02 156阅读 0赞

**目录**

1. 线程安全的概念

2. 线程不安全的原因

修改共享数据

原子性

可见性

代码顺序性

如何解决上述的线程不安全问题

使用synchronized 关键字

synchronized 的特性

synchronized 使用示例

Java 标准库中的线程安全类

volatile 关键字

--------------------

## 1. 线程安全的概念 ##

想给出一个线程安全的确切定义是复杂的，但我们可以这样认为： **如果多线程环境下代码运行的结果是符合我们预期的，即在单线程环境应该的结果，则说这个程序是线 程安全的**。

## 2. 线程不安全的原因 ##

给大家看一段代码，思考一下它为什么不安全？

static class Counter {
        public int count = 0;
        void increase() {
            count++;
       }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final Counter counter = new Counter();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                counter.increase();
           }
       });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                counter.increase();
           }
       });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(counter.count);
    }

运行结果：

![d7d0e6431c0745e18ec688d19609d499.png][]

为什么它的结果不是100000呢？

### 修改共享数据 ###

上面的线程不安全的代码中, 涉及到多个线程针对 counter.count 变量进行修改. 此时这个 counter.count 是一个多个线程都能访问到的 "共享数据"

> **counter.count 这个变量就是在堆上. 因此可以被多个线程共享访问.**

### 原子性 ###

什么是原子性？

我们把一段代码想象成一个房间，每个线程就是要进入这个房间的人。如果没有任何机制保证，A进入 房间之后，还没有出来；B 是不是也可以进入房间，打断 A 在房间里的隐私。这个就是不具备原子性的。

那我们应该如何解决这个问题呢？**是不是只要给房间加一把锁，A 进去就把门锁上，其他人是不是就进 不来了。这样就保证了这段代码的原子性了。**

附：有时也把这个现象叫做同步互斥，表示操作是互相排斥的。

> **一条 java 语句不一定是原子的，也不一定只是一条指令**
> 
> 如果一个线程正在对一个变量操作，中途其他线程插入进来了，如果这个操作被打断了，结果就可能是错误的。这点也和线程的抢占式调度密切相关. 如果线程不是 "抢占" 的, 就算没有原子性, 也问题不大。

### 可见性 ###

可见性是指, 一个线程对共享变量值的修改，能够及时地被其他线程看到.

**Java 内存模型 (JMM):** Java虚拟机规范中定义了Java内存模型. 目的是屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的并发效果.

![5d6b43675d4d4a3ea8407d5095e501f9.png][]

1. 线程之间的共享变量存在 主内存 (Main Memory).

2. 每一个线程都有自己的 "工作内存" (Working Memory) .

3. 当线程要读取一个共享变量的时候, 会先把变量从主内存拷贝到工作内存, 再从工作内存读取数据.

4. 当线程要修改一个共享变量的时候, 也会先修改工作内存中的副本, 再同步回主内存.

> 由于每个线程有自己的工作内存, 这些工作内存中的内容相当于同一个共享变量的 "副本". 此时修改线程 1 的工作内存中的值, 线程2 的工作内存不一定会及时变化.

(1) 初始情况下, 两个线程的工作内存内容一致.

![2af376ac4dba42d997b1f840ec159cc4.png][]

(2) 一旦线程1 修改了 a 的值, 此时主内存不一定能及时同步. 对应的线程2 的工作内存的 a 的值也不一定 能及时同步.

![16fa218f08fb4b4bbdd02641bf606cc0.png][]

这个时候代码中就容易出现问题.

### 代码顺序性 ###

什么是代码重排序 一段代码是这样的：

1. 去前台取下 U 盘

2. 去教室写 10 分钟作业

3. 去前台取下快递

如果是在单线程情况下，JVM、CPU指令集会对其进行优化，比如，按 1->3->2的方式执行，也是没问 题，可以少跑一次前台。这种叫做指令重排序

> 编译器对于指令重排序的前提是 "保持逻辑不发生变化". 这一点在单线程环境下比较容易判断, 但 是在多线程环境下就没那么容易了, 多线程的代码执行复杂程度更高, 编译器很难在编译阶段对代 码的执行效果进行预测, 因此激进的重排序很容易导致优化后的逻辑和之前不等价.

## 如何解决上述的线程不安全问题 ##

家人们，接下来让我们看看如何解决上述出现的问题吧

### 使用synchronized 关键字 ###

#### synchronized 的特性 ####

互斥

synchronized 会起到互斥效果, 某个线程执行到某个对象的 synchronized 中时, 其他线程如果也执行到同一个对象 synchronized 就会阻塞等待.

进入 synchronized 修饰的代码块, 相当于加锁

退出 synchronized 修饰的代码块, 相当于解锁

![57d35d3919a7491f9072c5e47ac0be4d.png][]

**synchronized用的锁是存在Java对象头里的。**

可以粗略理解成, 每个对象在内存中存储的时候, 都存有一块内存表示当前的 "锁定" 状态(类似于厕 所的 "有人/无人"). 如果当前是 "无人" 状态, 那么就可以使用, 使用时需要设为 "有人" 状态. 如果当前是 "有人" 状态, 那么其他人无法使用, 只能排队

针对每一把锁, 操作系统内部都维护了一个等待队列. 当这个锁被某个线程占有的时候, 其他线程尝 试进行加锁, 就加不上了, 就会阻塞等待, 一直等到之前的线程解锁之后, 由操作系统唤醒一个新的 线程, 再来获取到这个锁

> 当上一个线程解锁之后, 下一个线程并不是立即就能获取到锁. 而是要靠操作系统来 "唤醒". 这 也就是操作系统线程调度的一部分工作. 假设有 A B C 三个线程, 线程 A 先获取到锁, 然后 B 尝试获取锁, 然后 C 再尝试获取锁, 此时 B 和 C 都在阻塞队列中排队等待. 但是当 A 释放锁之后, 虽然 B 比 C 先来的, 但是 B 不一定就能 获取到锁, 而是和 C 重新竞争, 并不遵守先来后到的规则.

刷新内存

synchronized 的工作过程:

1. 获得互斥锁

2. 从主内存拷贝变量的最新副本到工作的内存

3. 执行代码

4. 将更改后的共享变量的值刷新到主内存

5. 释放互斥锁

可重入

synchronized 同步块对同一条线程来说是可重入的，不会出现自己把自己锁死的问题；

> 如何自己死锁？
> 
> 一个线程没有释放锁, 然后又尝试再次加锁.

如以下代码：

// 第一次加锁, 加锁成功
    lock();
    // 第二次加锁, 锁已经被占用, 阻塞等待. 
    lock();

这样的锁称为**不可重入锁**.

Java 中的 synchronized 是 可重入锁, 因此没有上面的问题.

在下面的代码中, increase 和 increase2 两个方法都加了 synchronized, 此处的 synchronized 都是针对 this 当前 对象加锁的. 在调用 increase2 的时候, 先加了一次锁, 执行到 increase 的时候, 又加了一次锁. (上个锁还没释 放, 相当于连续加两次锁) 这个代码是完全没问题的. 因为 synchronized 是可重入锁.

static class Counter {
        public int count = 0;
        synchronized void increase() {
            count++;
       }
        synchronized void increase2() {
            increase();
       }
    }

在可重入锁的内部, 包含了 "线程持有者" 和 "计数器" 两个信息. 如果某个线程加锁的时候, 发现锁已经被人占用, 但是恰好占用的正是自己, 那么仍然可以继续获取 到锁, 并让计数器自增. 解锁的时候计数器递减为 0 的时候, 才真正释放锁. (才能被别的线程获取到)

### synchronized 使用示例 ###

synchronized 本质上要修改指定对象的 "对象头". 从使用角度来看, synchronized 也势必要搭配一个具 体的对象来使用.

**直接修饰普通方法:** 锁的 SynchronizedDemo 对象

public class SynchronizedDemo {
        public synchronized void methond() {
       }
    }

**修饰静态方法:** 锁的 SynchronizedDemo 类的对象

public class SynchronizedDemo {
        public synchronized static void method() {
       }
    }

**修饰代码块:** 明确指定锁哪个对象.

锁当前对象

public class SynchronizedDemo {
        public void method() {
            synchronized (this) {
                
           }
       }
    }

锁类对象

public class SynchronizedDemo {
        public void method() {
            synchronized (SynchronizedDemo.class) {
           }
       }
    }

**我们重点要理解，synchronized 锁的是什么. 两个线程竞争同一把锁, 才会产生阻塞等待.**

### Java 标准库中的线程安全类 ###

Java 标准库中很多都是线程不安全的. 这些类可能会涉及到多线程修改共享数据, 又没有任何加锁措施.

**ArrayList**

**LinkedList**

**HashMap**

**TreeMap**

**HashSet**

**TreeSet**

**StringBuilder**

还有的虽然没有加锁, 但是不涉及 "修改", 仍然是线程安全的

**String**

## volatile 关键字 ##

**volatile 能保证内存可见性**

代码在写入 volatile 修饰的变量的时候,

**改变线程工作内存中volatile变量副本的值**

**将改变后的副本的值从工作内存刷新到主内存**

代码在读取 volatile 修饰的变量的时候,

**从主内存中读取volatile变量的最新值到线程的工作内存中**

**从工作内存中读取volatile变量的副本**

> 前面我们讨论内存可见性时说了, 直接访问工作内存(实际是 CPU 的寄存器或者 CPU 的缓存), 速度 非常快, 但是可能出现数据不一致的情况. 加上 volatile , 强制读写内存. 速度是慢了, 但是数据变的更准确了.

在这个代码中

创建两个线程 t1 和 t2

t1 中包含一个循环, 这个循环以 flag == 0 为循环条件.

t2 中从键盘读入一个整数, 并把这个整数赋值给 flag.

预期当用户输入非 0 的值的时候, t1 线程结束.

static class Counter {
        public int flag = 0;
    }
    public static void main(String[] args) {
        Counter counter = new Counter();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            while (counter.flag == 0) {
                // do nothing
           }
            System.out.println("循环结束!");
       });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            System.out.println("输入一个整数:");
            counter.flag = scanner.nextInt();
       });
        t1.start();
        t2.start();
    }
    // 执行效果
    // 当用户输入非0值时, t1 线程循环不会结束. (这显然是一个 bug)

如果给 flag 加上 volatile

static class Counter {
        public volatile int flag = 0;
    }
    // 执行效果
    // 当用户输入非0值时, t1 线程循环能够立即结束.

好了，本节就到这里了，希望家人们多多支持！

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