线程安全问题

绝地灬酷狼 2024-04-23 20:34 103阅读 0赞

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#### 线程安全 ####

*  1. 产生线程不安全的原因
 *   *  1.1 修改共享数据
     *  1.2 内存可见性问题
     *  1.3 原子性问题
     *  1.4 指令重排序问题
 *  2. 解决办法
 *   *  2.1 加锁
     *  2.2 加volatile

![在这里插入图片描述][8f8ef418dd5a4a7c8c5ce81715616a56.gif_pic_center]

## 1. 产生线程不安全的原因 ##

线程的调度是随机的，随机调度会使一个程序在多线程环境下，执行顺序存在很多的变数，此时就需要我们保证代码在任意执行顺序下，都能正常工作。

### 1.1 修改共享数据 ###

多个线程修改同一个变量。  
下面的代码中，涉及到多个线程针对 count 变量进⾏修改。此时这个 count 是⼀个多个线程都能访问到的 “共享数据”。

public class TestDemo1 {
        
        private static int count =0;
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            Thread t1=new Thread(()->{
        
               for(int i=0;i<5000;i++){
        
                   count++;
               }
            });
            Thread t2=new Thread(()->{
        
                for(int i=0;i<5000;i++){
        
                    count++;
                }
            });
            t1.start();
            t2.start();
            //保证t1,t2自增完后再打印
            t1.join();
            t2.join();
            System.out.println("count="+count);
        }
    }

![在这里插入图片描述][1b7dbbe3a9ec4612ba1f26aea05e3168.png]  
按照正常的思路来讲，t1自增5000，t2自增5000，count最终应该是10000，但为什么真正的输出跟我们想的不一样呢？

### 1.2 内存可见性问题 ###

**可⻅性**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。  
![在这里插入图片描述][fc247f8dce0a4eba81e8c98e05817979.png]

*  线程之间的共享变量存在主内存 (Main Memory)
 *  每⼀个线程都有⾃⼰的 “⼯作内存” (Working Memory)
 *  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⻉到⼯作内存，再从⼯作内存读取数据
 *  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。  
    **这里的"主内存"是真正硬件角度的"内存"。⽽所谓的 “工作内存”，则是指 CPU 的寄存器和高速缓存**

例如：  
1.初始情况下，两个线程的工作内容都是一样的  
![在这里插入图片描述][2abba77e6546491db5aba98fca217ddf.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  
![在这里插入图片描述][bc766f6e3e924396a92fda26e7675920.png]  
此时代码就容易出现问题。

### 1.3 原子性问题 ###

**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 进去就把⻔锁上，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。  
> 有时也把这个现象叫做同步互斥，表⽰操作是互相排斥的。

**如果不保证原子性会给多线程带来什么问题？**  
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。

### 1.4 指令重排序问题 ###

⼀段代码的逻辑是这样的：

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。

## 2. 解决办法 ##

### 2.1 加锁 ###

synchronized 能够保证原⼦性，解决互斥问题。

public class TestDemo1 {
        
        private static int count =0;
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            Object loker=new Object();
            Thread t1=new Thread(()->{
        
               for(int i=0;i<5000;i++){
        
                   synchronized (loker) {
        
                       count++;
                   }
               }
            });
            Thread t2=new Thread(()->{
        
                for(int i=0;i<5000;i++){
        
                    synchronized (loker) {
        
                        count++;
                    }
                }
            });
            t1.start();
            t2.start();
            t1.join();
            t2.join();
            System.out.println("count="+count);//10000
        }
    }

当t1线程拿到锁(loker)后开始count自增，t2线程则进入阻塞等待，等t1解锁后，t2获得锁，count再进行自增，就避免了因看不见内存中的变化而产生的错误。

### 2.2 加volatile ###

volatile关键字的作用主要有如下两个：

1.  保证内存可见性：基于屏障指令实现，即当一个线程修改一个共享变量时，另外一个线程能读到这个修改的值。
2.  保证有序性：禁止指令重排序。编译时 JVM 编译器遵循内存屏障的约束，运行时靠屏障指令组织指令顺序。  
    注意： volatile 不能保证原子性

[Link 1]: https://blog.csdn.net/iLoyo_
[JavaEE]: http://t.csdnimg.cn/p0IQF
[8f8ef418dd5a4a7c8c5ce81715616a56.gif_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/23/680247961e4d4f3c897bb1e3918fa0e5.gif
[1b7dbbe3a9ec4612ba1f26aea05e3168.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/23/57ecaa95285a4bd0a5ffbdff80fc78bf.png
[fc247f8dce0a4eba81e8c98e05817979.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/23/8409047d75d74937a724eaf4aa74eefe.png
[2abba77e6546491db5aba98fca217ddf.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/23/1d94037dd1e943d0b5230ec66cf51688.png
[bc766f6e3e924396a92fda26e7675920.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/23/8eef0ef1efd448e7bc47028fe9e0af26.png