10种技巧！保证线程安全

港控/mmm° 2024-02-21 07:24 79阅读 0赞

### 前言 ###

对于从事后端开发的同学来说，`线程安全`问题是我们每天都需要考虑的问题。

线程安全问题通俗的讲：主要是在多线程的环境下，不同线程同时读和写公共资源（临界资源），导致的数据异常问题。

比如：变量a=0，线程1给该变量+1，线程2也给该变量+1。此时，线程3获取a的值有可能不是2，而是1。线程3这不就获取了错误的数据？

线程安全问题会直接导致数据异常，从而影响业务功能的正常使用，所以这个问题还是非常严重的。

那么，如何解决线程安全问题呢？

今天跟大家一起聊聊，保证线程安全的10个小技巧，希望对你有所帮助。

1. 无状态

我们都知道只有多个线程访问`公共资源`的时候，才可能出现数据安全问题，那么如果我们没有公共资源，是不是就没有这个问题呢？

例如：

public class NoStatusService {
    
        public void add(String status) {
            System.out.println("add status:" + status);
        }
    
        public void update(String status) {
            System.out.println("update status:" + status);
        }
    }

这个例子中NoStatusService没有定义公共资源，换句话说是`无状态`的。

这种场景中，NoStatusService类肯定是线程安全的。

### 2. 不可变 ###

如果多个线程访问的公共资源是`不可变`的，也不会出现数据的安全性问题。

例如：

public class NoChangeService {
        public static final String DEFAULT_NAME = "abc";
    
        public void add(String status) {
            System.out.println(DEFAULT_NAME);
        }
    }

DEFAULT\_NAME被定义成了`static` `final`的常量，在多线程中环境中不会被修改，所以这种情况，也不会出现线程安全问题。

### 3. 无修改权限 ###

有时候，我们定义了公共资源，但是该资源只暴露了读取的权限，没有暴露修改的权限，这样也是线程安全的。

例如：

public class SafePublishService {
        private String name;
    
        public String getName() {
            return name;
        }
    
        public void add(String status) {
            System.out.println("add status:" + status);
        }
    }

这个例子中，没有对外暴露修改name字段的入口，所以不存在线程安全问题。

### 3. synchronized ###

使用`JDK`内部提供的`同步机制`，这也是使用比较多的手段，分为：`同步方法` 和 `同步代码块`。

我们优先使用同步代码块，因为同步方法的粒度是整个方法，范围太大，相对来说，更消耗代码的性能。

其实，每个对象内部都有一把`锁`，只有抢到那把锁的`线程`，才被允许进入对应的代码块执行相应的代码。

当代码块执行完之后，JVM底层会自动释放那把锁。

例如：

public class SyncService {
        private int age = 1;
        private Object object = new Object();
    
        //同步方法
        public synchronized void add(int i) {
            age = age + i;        
            System.out.println("age:" + age);
        }
    
        
        public void update(int i) {
            //同步代码块，对象锁
            synchronized (object) {
                age = age + i;                     
                System.out.println("age:" + age);
            }    
         }
         
         public void update(int i) {
            //同步代码块，类锁
            synchronized (SyncService.class) {
                age = age + i;                     
                System.out.println("age:" + age);
            }    
         }
    }

### 4. Lock ###

除了使用`synchronized`关键字实现同步功能之外，JDK还提供了`Lock`接口，这种显示锁的方式。

通常我们会使用`Lock`接口的实现类：`ReentrantLock`，它包含了：`公平锁`、`非公平锁`、`可重入锁`、`读写锁` 等更多更强大的功能。

例如：

public class LockService {
        private ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
        public int age = 1;
        
        public void add(int i) {
            try {
                reentrantLock.lock();
                age = age + i;           
                System.out.println("age:" + age);
            } finally {
                reentrantLock.unlock();        
            }    
       }
    }

但如果使用ReentrantLock，它也带来了有个小问题就是：`需要在finally代码块中手动释放锁`。

不过说句实话，在使用`Lock`显示锁的方式，解决线程安全问题，给开发人员提供了更多的灵活性。

### 5. 分布式锁 ###

如果是在单机的情况下，使用`synchronized`和`Lock`保证线程安全是没有问题的。

但如果在分布式的环境中，即某个应用如果部署了多个节点，每一个节点使用可以`synchronized`和`Lock`保证线程安全，但不同的节点之间，没法保证线程安全。

这就需要使用：`分布式锁`了。

分布式锁有很多种，比如：数据库分布式锁，zookeeper分布式锁，redis分布式锁等。

其中我个人更推荐使用redis分布式锁，其效率相对来说更高一些。

使用redis分布式锁的伪代码如下：

try{
      String result = jedis.set(lockKey, requestId, "NX", "PX", expireTime);
      if ("OK".equals(result)) {
          return true;
      }
      return false;
    } finally {
        unlock(lockKey);
    }

同样需要在`finally`代码块中释放锁。

### 6. volatile ###

有时候，我们有这样的需求：如果在多个线程中，有任意一个线程，把某个开关的状态设置为false，则整个功能停止。

简单的需求分析之后发现：只要求多个线程间的`可见性`，不要求`原子性`。

如果一个线程修改了状态，其他的所有线程都能获取到最新的状态值。

这样一分析这就好办了，使用`volatile`就能快速满足需求。

例如：

@Service
    public CanalService {
        private volatile boolean running = false;
        private Thread thread;
    
        @Autowired
        private CanalConnector canalConnector;
        
        public void handle() {
            //连接canal
            while(running) {
               //业务处理
            }
        }
        
        public void start() {
           thread = new Thread(this::handle, "name");
           running = true;
           thread.start();
        }
        
        public void stop() {
           if(!running) {
              return;
           }
           running = false;
        }
    }

> 需要特别注意的地方是：`volatile`不能用于计数和统计等业务场景。因为`volatile`不能保证操作的原子性，可能会导致数据异常。

### 7. ThreadLocal ###

除了上面几种解决思路之外，JDK还提供了另外一种用`空间换时间`的新思路：`ThreadLocal`。

当然ThreadLocal并不能完全取代锁，特别是在一些秒杀更新库存中，必须使用锁。

ThreadLocal的核心思想是：共享变量在每个线程都有一个副本，每个线程操作的都是自己的`副本`，对另外的线程没有影响。

> 温馨提醒一下：我们平常在使用ThreadLocal时，如果使用完之后，一定要记得在`finally`代码块中，调用它的`remove`方法清空数据，不然可能会出现`内存泄露`问题。

例如：

public class ThreadLocalService {
        private ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<>();
    
        public void add(int i) {
            Integer integer = threadLocal.get();
            threadLocal.set(integer == null ? 0 : integer + i);
        }
    }

### 8. 线程安全集合 ###

有时候，我们需要使用的公共资源放在某个集合当中，比如：ArrayList、HashMap、HashSet等。

如果在多线程环境中，有线程往这些集合中写数据，另外的线程从集合中读数据，就可能会出现线程安全问题。

为了解决集合的线程安全问题，JDK专门给我们提供了能够保证线程安全的集合。

比如：CopyOnWriteArrayList、ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArraySet、ArrayBlockingQueue等等。

例如：

public class HashMapTest {
    
        private static ConcurrentHashMap<String, Object> hashMap = new ConcurrentHashMap<>();
    
        public static void main(String[] args) {
    
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    hashMap.put("key1", "value1");
                }
            }).start();
    
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    hashMap.put("key2", "value2");
                }
            }).start();
    
            try {
                Thread.sleep(50);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(hashMap);
        }
    }

在JDK底层，或者spring框架当中，使用ConcurrentHashMap保存加载配置参数的场景非常多。

比较出名的是spring的`refresh`方法中，会读取配置文件，把配置放到很多的ConcurrentHashMap缓存起来。

### 9. CAS ###

JDK除了使用锁的机制解决多线程情况下数据安全问题之外，还提供了`CAS机制`。

这种机制是使用CPU中比较和交换指令的原子性，JDK里面是通过`Unsafe`类实现的。

CAS内部包含了四个值：`旧数据`、`期望数据`、`新数据` 和 `地址`，比较旧数据 和 期望的数据，如果一样的话，就把旧数据改成新数据。如果不一样的话，当前线程不断`自旋`，一直到成功为止。

不过，使用CAS保证线程安全，可能会出现`ABA`问题，需要使用`AtomicStampedReference`增加版本号解决。

其实，实际工作中很少直接使用`Unsafe`类的，一般用`atomic`包下面的类即可。

public class AtomicService {
        private AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
        
        public int add(int i) {
            return atomicInteger.getAndAdd(i);
        }
    }

### 10. 数据隔离 ###

有时候，我们在操作集合数据时，可以通过`数据隔离`，来保证线程安全。

例如：

public class ThreadPoolTest {
    
        public static void main(String[] args) {
    
          ExecutorService threadPool = new ThreadPoolExecutor(8, //corePoolSize线程池中核心线程数
          10, //maximumPoolSize 线程池中最大线程数
          60, //线程池中线程的最大空闲时间，超过这个时间空闲线程将被回收
          TimeUnit.SECONDS,//时间单位
          new ArrayBlockingQueue(500), //队列
          new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy()); //拒绝策略
    
          List<User> userList = Lists.newArrayList(
          new User(1L, "苏三", 18, "成都"),
          new User(2L, "苏三说技术", 20, "四川"),
          new User(3L, "技术", 25, "云南"));
    
          for (User user : userList) {
              threadPool.submit(new Work(user));
          }
    
          try {
              Thread.sleep(100);
          } catch (InterruptedException e) {
              e.printStackTrace();
          }
          System.out.println(userList);
      }
    
        static class Work implements Runnable {
            private User user;
    
            public Work(User user) {
                this.user = user;
            }
    
            @Override
            public void run() {
                user.setName(user.getName() + "测试");
            }
        }
    }

这个例子中，使用`线程池`处理用户信息。

每个用户只被`线程池`中的一个`线程`处理，不存在多个线程同时处理一个用户的情况。所以这种人为的数据隔离机制，也能保证线程安全。

数据隔离还有另外一种场景：kafka生产者把同一个订单的消息，发送到同一个partion中。每一个partion都部署一个消费者，在kafka消费者中，使用单线程接收消息，并且做业务处理。

这种场景下，从整体上看，不同的partion是用多线程处理数据的，但同一个partion则是用单线程处理的，所以也能解决线程安全问题。