Java Web 实战 04 - 多线程基础之线程安全问题

亦凉 2024-03-26 18:35 27阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  四 . 线程安全(重点)
 *   *  4.1 代码示例 : 线程安全举例
     *  4.2 线程安全问题是怎样产生的
     *  4.3 造成线程不安全的原因
     *   *  操作系统的随机调度 / 抢占式执行
         *  多个线程修改同一个变量
         *  有些修改操作 , 不是原子的
         *  内存可见性引起的线程安全问题
         *  指令重排序
         *  小结

> 大家好 , 这篇文章带大家分析一下线程安全问题 . 线程安全问题在面试过程十分重要 , 而且这个问题也往往会被大家忽略 , 所以这一部分的知识希望大家认真学习  
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## 四 . 线程安全(重点) ##

多线程编程中 , 最重要也是最困难的问题就是多线程的线程安全问题

线程安全问题 , 最根本的问题就是调度器的 **随机调度/抢占式执行** 这个过程  
那么线程不安全就是指 : 在随机调度之下 , 程序的执行就有了许多可能 , 然后其中的某些可能就产生了错误的结果

比如 : 购物平台推出了一个商品 , 限量 200 份 , 如果某一个用户抢购成功 , 库存就 - 1  
但是限量 200 份 , 肯定会有很多人抢 , 所以会使用到多线程  
如果线程不安全 , 就会有很多人抢到了鞋子 , 而库存才 -1 , 所以线程安全也是非常重要的

### 4.1 代码示例 : 线程安全举例 ###

当两个线程对同一个变量进行并发式的自增 , 每次运行结果就不一样

// 创建两个线程,让这两个线程同时并发的对一个变量自增 5w 次
    // 最终预期能够一共自增 10w 次
    class Counter {
        
        // 用来保存计数的变量
        public int count;
    
        public void increase() {
        
            count++;
        }
    }
    
    public class Demo14 {
        
        // 这个实例的作用是为了进行累加
        public static Counter counter = new Counter();
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            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("count:" + counter.count);
        }
    }

我们期望代码的运算结果是 10w , 但是事实真的是这样吗 ?  
![image.png][]  
那么这个 bug 是怎么样产生的呢 ?

### 4.2 线程安全问题是怎样产生的 ###

这就需要我们再回顾一下计算机的基本组成结构  
![在这里插入图片描述][6e1c91bc5e1944c69c723fbab438f1c5.png]

我们之前介绍过的数据库中的事务隔离性 , 其实就是并发导致的问题  
(数据库内部并发执行事务 , 也是靠多线程的方式)  
此处的线程安全问题 , 也是并发导致的问题 , 归根结底就是随机调度执行的结果  
线程安全问题 , 是面试中相当高频的问题 , 也是工作中非常常见的问题

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那么我们刚才说 , 数据应该在 5w~10w 之间  
极端情况下 : 如果所有的指令排列恰好都是前两种 , 此时总和就是 10w  
极端情况下 , 如果所有的指令排列都不是前两种 , 此时总和就是 5w  
更实际的情况下 , 调度器具体调度出多少次前两种情况 , 多少次后面的情况 , 都是不确定的  
所以数据一定会在 5w~10w 之间

### 4.3 造成线程不安全的原因 ###

#### 操作系统的随机调度 / 抢占式执行 ####

这是万恶之源 / 罪魁祸首 , 我们无能为力

#### 多个线程修改同一个变量 ####

里面有几个关键字 :

1.  多个线程 : 如果只是一个线程修改变量 , 没事
2.  修改 : 如果是多个线程读同一个变量 , 也没事
3.  同一个变量 : 如果是多个线程修改不同的变量 , 还没事

![image.png][image.png 1]  
在写代码的时候 , 我们就可以针对这个要点进行控制了  
可以通过调整程序的设计 , 破坏上面的条件  
但是适用范围有限 , 不是所有的场景它都能规避掉

#### 有些修改操作 , 不是原子的 ####

原子 : 不可拆分的最小单位 , 比如 赋值(=) 操作 , 只对应一条指令 , 就视为是原子的  
像我们刚才的 ++ 指令 , 它对应三条机器指令 , 则不是原子的

#### 内存可见性引起的线程安全问题 ####

这条原因 , 就是另外一个场景了 : 一个线程修改 , 一个线程读  
这种场景就特别容易引起内存可见性 , 引发问题  
举个栗子 :  
![image.png][image.png 2]

这样的优化 , 是咋优化的 , 都优化出 Bug 了 , 还不如不优化呢 .  
上述场景的优化 , 在单线程环境下 , 没问题 .  
在多线程复杂的环境下 , 编译器 / JVM / 操作系统 … 在进行优化的时候就很有可能进行了误判  
针对这个问题 , Java 引入了 `volatile`关键字 , 让程序员手动的禁止对某个变量进行优化

#### 指令重排序 ####

指令重排序也是 操作系统/编译器/JVM… 的优化操作 , 他是调整了代码的执行顺序  
指令重排序就是他指令的顺序给调整了 , 达到加快速度的效果  
举个栗子 :  
![image.png][image.png 3]  
按照上述的操作 , 调整顺序之后 , 也达到了我们的目标 , 也加快了效率  
但是这个操作也有可能出现问题 :

Test t = new Test();

这简单的一句代码 , 底层对应着三条指令

1.  创建内存空间
2.  往这个内存空间上构造一个对象
3.  把这个内存的引用赋值给 t

![image.png][image.png 4]

#### 小结 ####

线程安全问题的五种原因 :  
前三种原因更普遍

1.  系统的随机调度 \[万恶之源 , 无能为力\]
2.  多个线程之间同时修改同一个变量 \[可以部分规避\]
3.  修改操作不是原子的 \[有办法改善\] : 可以通过加锁操作 , 就可以把一些不是原子的操作打包成一个原子操作(数据库中的事务也是这样的) , Java 中加锁最常见的方式就是通过 `synchronized`关键字\[稍后讲解\]

后两种原因 , 就是优化搞出的幺蛾子 \[编译器优化还是利大于弊的\]

1.  内存可见性
2.  指令重排序

这两种情况是 编译器/JVM/操作系统… 误判了 , 把不应该优化的地方给优化了 , 执行逻辑就变了 , 所以 Bug 就出现了 , 我们可以使用 `volatile`规避掉

[Link 1]: https://www.yuque.com/jialebihaitao/study/qzym2pw332lm6k7q?singleDoc#%20%E3%80%8A2.%20%E5%A4%9A%E7%BA%BF%E7%A8%8B%20%28%E5%9F%BA%E7%A1%80%29%E3%80%8B
[Link 2]: https://blog.csdn.net/m0_53117341/article/details/129353964
[b08a4c42678b43749256894e1dc003a8.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/26/866e9586c90a4a26a00b598872db9e4d.png
[image.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/26/82d341db7f8246ccb427121f876a1cea.png
[6e1c91bc5e1944c69c723fbab438f1c5.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/26/6a33c31d5aea480492f78d3d390704d5.png
[image.png 1]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/26/fdf6bdb1e5b542d69eafb7e145a5a5b3.png
[image.png 2]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/26/dbde8d773c144a949207551c37790818.png
[image.png 3]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/26/0c006f42ed9a4762a7bf876872445ee0.png
[image.png 4]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/26/8c5850606e7b46f38f7cf15d4276c20b.png