线程的安全性 - 并发基础篇

26
五月
2021

简介

当多个线程访问某个类时,这个类始终都能表现出正确的行为,那么就说这个类是线程安全的。

目录

这次分三步走:关于相关知识点,放在文末的脑图里了,大家想看结论的,可直接下拉观看哦。

1.创建一个线程安全的类
2.创建一个线程不安全的类:有一个状态变量
3.创建一个线程不安全的类:有多个状态变量

正文

线程的安全性主要是针对对象的状态(实例属性或静态属性)而言的,如果在多线程中,访问到的对象状态不一致(比如常见的自增属性),那么就是线程不安全的

下面我们一步步来

先来个无状态类

第一步:无状态类

这里我们写一个简单的线程安全类,简单到什么地步呢?如下所示

public class SafeDemo {

    public int sum(int n, int m){
        return n + m;
    }
}

就是这么简单,我们说这个类是线程安全的。

为啥安全呢?

因为这个类没有状态,即无状态类;

只有局部变量n,m,而这些局部变量是存在于栈中的,栈是每个线程独有的,不跟其他线程共享,堆才共享

所以每个线程操作sum时,对应的n,m只有自己可见,当然就安全了

好了,通过上面的例子,我们知道了什么是线程安全类,那本节的内容就到此结束了,再见。

在这里插入图片描述

上面的例子,我们举了一个无状态类,接下来我们添加一个状态试试

第二步:加一个状态变量

加一个状态变量(静态属性),代码如下

public class UnSafeDemo {

    static int a = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
				// 线程1
        new Thread(()-> {
            for(int j=0;j<100000;j++){
                a++;
            }
          
        }).start();
				// 线程2
        new Thread(()-> {
            for(int j=0;j<100000;j++){
                a++;
            }
        }).start();
				
        Thread.sleep(3000);
      	// 这里不是每次运行都会输出200,000
        System.out.println(a);
    }
}

上面我们创建了两个线程,每个线程都执行10万次的自增操作

但是因为自增不是原子操作,实际分三步:读-改-写

此时如果两个线程同时读到相同的值,则累加次数就会少一次

这种在并发编程中,由于不恰当的执行时序而出现不正确的结果的情况,叫做竞态条件

如下图所示:

期望的是正常执行,每个线程交替执行

在这里插入图片描述

结果却有可能是不正常的,如下

在这里插入图片描述

这时我们就可以说,上面加的这个状态是不安全的,结果就是整个类也是不安全的。

不安全的状态有二:

  1. 可变状态(变量):非final修饰的变量
  2. 共享状态(变量):非局部变量

像上面这个例子,状态就同时属于可变状态和共享状态。

那要怎么确保安全:

  1. 同步:synchronized、volatile、显式锁、原子变量(比如AtomicInteger)
  2. 不可变变量:final(都不能改了,当然安全了)
  3. 不共享变量:不在多线程中共享变量(即局部变量)

PS:代码的封装性越好,访问可变变量的代码块越少,越容易确保线程安全

这里的自增我们就可以用同步中的原子变量来解决。

关于原子变量的细节,后面章节再介绍,这里只需要知道,原子变量内部的操作是原子操作就可以了

修改后的代码如下:

public class SafeDemo {
    static final AtomicInteger a = new AtomicInteger(0);
//    static int a = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
				// 线程1
        new Thread(()-> {
            for(int j=0;j<100000;j++){
              	// 这里的自增是原子操作
                a.incrementAndGet();
            }
        }).start();
				// 线程2
        new Thread(()-> {
            for(int j=0;j<100000;j++){
              // 这里的自增是原子操作
                a.incrementAndGet();
            }
        }).start();

        Thread.sleep(3000);
        System.out.println(a.get());
    }
}

可以看到,加了AtomicInteger.incrementAndGet()方法,这个方法是原子操作

这时,不管怎么运行,都是输出200,000

第三步:加多个状态变量

上面我们加了一个状态变量,可以用原子变量来保证线程安全

那如果是多个状态变量呢?此时就算用了原子变量也不行了

因为原子变量只是保证它内部是原子操作,但是当多个原子变量放到一起组合操作时,他们之间又存在竞态条件了,就又不是原子操作了

竞态条件:并发编程中,由于不恰当的执行时序而出现不正确的结果的情况,就是竞态条件(重复陈述ing,加深记忆)

代码如下:

public class UnSafeDemo2 {
    static final AtomicInteger a = new AtomicInteger(0);
    static final AtomicInteger b = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        new Thread(()-> {
            for(int j=0;j<10000;j++){
                a.incrementAndGet();
                b.incrementAndGet();
                if(a.get()!=b.get()){
                    // 理想状态的话,不会运行到这里,因为a和b是一起自增的
                    // 但是大部分时候都是不正常的,因为a和b各自是原子操作,但是放到一起就不是原子操作了
                    System.out.println(1);
                }
            }
        }).start();

        new Thread(()-> {
            for(int j=0;j<10000;j++){
                a.incrementAndGet();
                b.incrementAndGet();
                if(a.get()!=b.get()){
                    // 理想状态的话,不会运行到这里,因为a和b是一起自增的
                    // 但是大部分时候都是不正常的,因为a和b各自是原子操作,但是放到一起就不是原子操作了
                    System.out.println(2);
                }
            }
        }).start();
    }
}

上面多次运行,会发现基本上每次都会打印1和2,就是因为这两个线程之间存在竞态条件

那怎么解决呢?

上锁

代码如下:

public class UnSafeDemo2 {
    static final AtomicInteger a = new AtomicInteger(0);
    static final AtomicInteger b = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 单独创建一个对象,用来充当锁
        UnSafeDemo2 unSafeDemo2 = new UnSafeDemo2();
        new Thread(()-> {
            for(int j=0;j<10000;j++){
                // 这里加了锁
                synchronized (unSafeDemo2){
                    a.incrementAndGet();
                    b.incrementAndGet();
                    if(a.get()!=b.get()){
                        // 现在肯定是理想状态,不会运行到这里
                        System.out.println(1);
                    }
                }
            }
        }).start();

        new Thread(()-> {
            for(int j=0;j<10000;j++){
                // 这里加了锁
                synchronized (unSafeDemo2){
                    a.incrementAndGet();
                    b.incrementAndGet();
                    if(a.get()!=b.get()){
                        // 现在肯定是理想状态,不会运行到这里
                        System.out.println(2);
                    }
                }
            }
        }).start();
    }
}

这里用到的锁为内置锁,还有很多其他锁,这里就不展开了(后面章节再介绍)

注意:同步代码必须上同一个锁才有用,比如上面的例子,两个线程都是上的unsafeDemo2这个锁
你们可以试一下,一个上unsafeDemo2锁,一个上Object锁,看会输出啥

内置锁也叫监视器锁

特点:

  • 互斥性:即一个线程持有锁,其他线程就要等待锁释放后才可以获取锁

  • 可重入性:如果某个线程尝试去获取一个锁,而这个锁之前就是这个线程所持有的,那么这个线程就可以再次获取到锁

  • 好处:避免了死锁:比如一个子类继承父类的synchronized方法,并显示调用父类的synchronized方法,如果不可重入,那么在子类中获取的锁,调用子类的fun方法是没问题的,但是调用父类的fun方法时,会提示上了锁,从而被阻塞,此时就会死锁(自己持有锁,还有再去获取锁,但是又获取不到)

  • 缺点:跟状态有关的方法都需要上锁:操作麻烦,其实就是类的每个方法都需要上锁,如果后面添加了一个方法,忘记加锁,那还是有安全问题(比如被人们遗弃的Vector)

  • 性能问题:整个方法都上锁,性能很低,尤其是一些耗时操作,比如网络IO这种容易阻塞的操作

解决:

  • 缩小锁的范围
  • 将耗时长的操作(前提是操作与状态无关),放到同步之外的代码块

好了,本章内容就先到这里吧,后面还有太多东西了,慢慢来吧。

总结

在这里插入图片描述

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