Java线程 - 详解(2)
一,线程安全问题
有些代码在单个线程的环境下运行,完全正确,但是同样的代码,让多个线程去执行,此时就可能出现BUG,这就是所谓的 "线程安全问题"。举一个例子:
public class Demo {static int count = 0;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread thread = new Thread(()->{for (int i = 0; i < 5000; i++) {count++;}});Thread thread1 = new Thread(()->{for (int i = 0; i < 5000; i++) {count++;}});thread.start();thread1.start();thread.join();thread1.join();System.out.println("count = "+count);}
}
以上代码如果使用单线程执行,他的答案是10000,但是如果使用多线程,那么就不确定了。

那么为什么会出现这种情况呢?首先我们要深入了解一下 count++ 这个操作,实际上这个操作是分成 3 步执行的(站在CPU的角度,count++,是有三个指令实现的):
- load 把数据从内存读取到 CPU 寄存器中 ——> tmp = count (简单理解版)
- add 把寄存器中的数据进行 +1 ——> tmp += 1 (简单理解版)
- save 把寄存器中的数据,保存到内存中 ——> count = tmp (简单理解版)
在此基础上,又因为线程之间的调度顺序是随机的,就会导致上面的代码出BUG,画一个图来理解一下:

(上面画的只是一部分情况),也就是说,两个线程分别自增一次,预期得到的是2,实际上可能得到的是1,这就会导致两个线程的结果没有向上累加,而是各自独立运行。
讲了上面的BUG后,还有一个问题,我们得到的count的可能取值范围是多少?是[1,10000],还是[5000,10000]?答案是 [1,10000],因为可能 线程1 自增1次, 而 线程2 自增 n 次,画个图理解一下:

二,线程安全问题产生原因
1. 操作系统中,线程的调度顺序是随机的(抢占式执行)
线程的调度顺序是在系统内核实现的,无法解决
2. 两个线程,针对同一个变量进行修改
一个线程针对一个变量进行修改 ✔️
两个线程针对不同变量进行修改 ✔️
两个线程针对同一个变量进行读取 ✔️
3. 修改操作不是原子的,拿上面的举例就是:count++这个操作不是一步到位的,需要分成4三步执行。
原子性:将多个操作"封装"起来,使其就相当于一个操作,更加通俗一点,就相当于
有一个房间,当线程1在该房间执行操作时,线程2要么等待,要么去其他房间执行
4. 内存可见性问题(这章还不涉及)
5. 指令重排序问题(这章还不涉及)
三,解决线程安全问题
上面讲了5种原因导致线程安全问题,其中1是避免不了的,2是只能在写代码时尽量避免,4,5还没涉及到,因此我们要想解决线程安全问题就只能从原因3入手,即将那些非原子操作转换成原子操作,更加专业一点就是 "加锁"。
在Java中,给代码"加锁"最常见的办法就是使用 synchronized 关键字:
synchronized( ){
......
//要执行的操作放在这里
}
注:( )中需要一个用来加锁的对象。这个对象的类型不重要,重要的是通过这个对象来区分两个线程是否竞争同一个锁,如果两个线程是在竞争同一个锁,就会有锁竞争,如果不是,就不会有锁竞争,就任然是并发执行。
你可以将锁想象成一个单人的自习室,如果你先占用了这个自习室,那么其他人要么阻塞等待你使用结束(锁竞争),要么去其他空的自习室(没有锁竞争)。
public class Demo {static int count = 0;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Object locker = new Object();//锁Thread thread = new Thread(()->{synchronized (locker){for (int i = 0; i < 5000; i++) {count++;}}});Thread thread1 = new Thread(()->{synchronized (locker){for (int i = 0; i < 5000; i++) {count++;}}});thread.start();thread1.start();thread.join();thread1.join();System.out.println("count = "+count);}
}

在画个图对比一下:

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