【JavaEE初阶】线程安全问题及解决方法

目录

一、多线程带来的风险-线程安全

1、观察线程不安全

2、线程安全的概念

3、线程不安全的原因

4、解决之前的线程不安全问题 

5、synchronized 关键字 - 监视器锁 monitor lock

5.1 synchronized 的特性

5.2 synchronized 使用示例  

5.3 Java 标准库中的线程安全类 

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一、多线程带来的风险-线程安全

1、观察线程不安全

public class ThreadDemo2 {private static long count = 0;public static void main(String[] args) throws InterruptedException{Thread t1 = new Thread(()->{for (int i = 1;i <= 500000;i++) {count++;}});Thread t2 = new Thread(()->{for (long i = 0;i < 500000;i++) {count++;}});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();//存在线程安全问题，输出的结果可能不准确System.out.println("count= "+count);}
}

其运行结果：

明显这个结果和我们的预期是不一样的，这是因为存在线程安全问题。若把count++的操作在一个单线程环境下运行 ，便不会出现这样的问题。下面我们来说一下线程安全问题。

2、线程安全的概念

想给出⼀个线程安全的确切定义是复杂的，但我们可以这样认为：

如果多线程环境下代码运行的结果是符合我们预期的，即在单线程环境应该的结果，则说这个程序是线程安全的。

线程安全，在单线程环境下和多线程环境下都不会出现问题。

3、线程不安全的原因

• 线程调度是随机的

这是线程安全问题的根本原因 ；

随机调度使⼀个程序在多线程环境下，执行顺序存在很多的变数；

程序猿必须保证 在任意执行顺序下 , 代码都能正常工作。

•  修改共享数据

多个线程修改同⼀个变量。

上面的线程不安全的代码中，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" 。

• 原子性  

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 进去就把门锁上，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。

⼀条 java 语句不⼀定是原子的，也不一定只是一条指令。

比如，刚才我们看到的 count++，其实是由三步操作组成的：

1. 从内存把数据读到 CPU 寄存器中
2. 进行数据更新
3. 把数据写回到内存

那么不保证原子性会给多线程带来什么问题呢？

如果不保证原子性，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。

这点也和线程的抢占式调度密切相关，如果线程不是 "抢占" 的，就算没有原子性，问题也不⼤。

•  可见性

 可见性指，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。这里先不过多介绍。

• 指令重排序 

什么是代码重排序？

假设有⼀段代码是这样的：

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.

重排序是⼀个比较复杂的话题, 涉及到 CPU 以及编译器的⼀些底层⼯作原理, 此处不做过多讨论。 

4、解决之前的线程不安全问题 

 解决之后的代码：

public class ThreadDemo2 {private static long count = 0;public static void main(String[] args) throws InterruptedException{Object locker = new Object();Thread t1 = new Thread(()->{for (int i = 1;i <= 500000;i++) {synchronized (locker) {count++;}}});Thread t2 = new Thread(()->{for (long i = 0;i < 500000;i++) {synchronized (locker) {count++;}}});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println("count= "+count);}
}

这时的结果就一定是1000000，如图：

下面就给大家解释一下，这个线程不安全的问题是如何解决的。

5、synchronized 关键字 - 监视器锁 monitor lock

5.1 synchronized 的特性

1) 互斥  

synchronized 会起到互斥效果, 某个线程执行到某个对象的 synchronized 中时, 其他线程如果也执行到 同⼀个对象 synchronized 就会 阻塞等待。

• 进入 synchronized 修饰的代码块，相当于 加锁
• 退出 synchronized 修饰的代码块，相当于 解锁

synchronized用的“锁”是存在Java对象“头”里面的。

可以粗略理解成, 每个对象在内存中存储的时候, 都存有⼀块内存表示当前的 "锁定" 状态(类似于厕所 的 "有人/无人").

如果当前是 "无人" 状态, 那么就可以使用, 使用时需要设为 "有人" 状态.

如果当前是 "有人" 状态, 那么其他人无法使用, 只能排队

 

理解 "阻塞等待"：

针对每⼀把锁, 操作系统内部都维护了⼀个等待队列. 当这个锁被某个线程占有的时候, 其他线程尝试 进行加锁, 就加不上了, 就会阻塞等待, ⼀直等到之前的线程解锁之后, 由操作系统唤醒⼀个新的线程, 再来获取到这个锁。

注意:

• 上⼀个线程解锁之后, 下⼀个线程并不是立即就能获取到锁. 而是要靠操作系统来 "唤醒". 这也就是操作系统线程调度的⼀部分工作.
• 假设有 A B C 三个线程, 线程 A 先获取到锁, 然后 B 尝试获取锁, 然后 C 再尝试获取锁, 此时 B 和 C 都在阻塞队列中排队等待. 但是当 A 释放锁之后, 虽然 B 比 C 先来的, 但是 B 不⼀定就能获取到锁, 而是和 C 重新竞争, 并不遵守先来后到的规则.

 synchronized的底层是使用操作系统的mutex lock实现的。

2) 可重入

synchronized 同步块对同⼀条线程来说是可重入的，不会出现自己把自己锁死的问题； 

理解 "把自己锁死" ：

一个线程没有释放锁, 然后又尝试再次加锁。

// 第一次加锁, 加锁成功

lock();

// 第二次加锁, 锁已经被占用, 阻塞等待.

lock();

按照之前对于锁的设定, 第二次加锁的时候, 就会阻塞等待. 直到第⼀次的锁被释放, 才能获取到第二 个锁. 但是释放第⼀个锁也是由该线程来完成, 结果这个线程已经躺平了, 啥都不想干了, 也就无法进行 解锁操作. 这时候就会死锁。

这样的锁称为 不可重入锁。

Java 中的 synchronized 是 可重入锁, 因此没有上面的问题。

for (int i = 0; i < 50000; i++) {synchronized (locker) {synchronized (locker) {count++;}}
}

在可重入锁的内部, 包含了 "线程持有者" 和 "计数器" 两个信息.

• 如果某个线程加锁的时候, 发现锁已经被人占用, 但是恰好占用的正是自己, 那么仍然可以继续获取到锁, 并让计数器自增.
• 解锁的时候计数器递减为 0 的时候, 才真正释放锁. (才能被别的线程获取到）

5.2 synchronized 使用示例  

synchronized 本质上要修改指定对象的 "对象头"，从使用度来看，synchronized 也势必要搭配⼀个具体的对象来使用。

 1) 修饰代码块: 明确指定锁哪个对象.

 锁任意对象：

public class SynchronizedDemo {private Object locker = new Object();public void method() {synchronized (locker) {}}
}

锁当前对象：

public class SynchronizedDemo {public void method() {synchronized (this) {}}
}

2) 直接修饰普通方法: 锁的 SynchronizedDemo 对象 

public class SynchronizedDemo {public synchronized void methond() {}
}

3) 修饰静态方法: 锁的 SynchronizedDemo 类的对象 

public class SynchronizedDemo {public synchronized static void method() {}
}

我们重点要理解，synchronized 锁的是什么. 两个线程竞争同⼀把锁, 才会产生阻塞等待.

两个线程分别尝试获取两把不同的锁, 不会产⽣竞争.

5.3 Java 标准库中的线程安全类 

Java 标准库中很多都是线程不安全的. 这些类可能会涉及到多线程修改共享数据, 又没有任何加锁措施：

• ArrayList
• LinkedList
• HashMap
• TreeMap
• HashSet
• TreeSet
• StringBuilder

但是还有⼀些是线程安全的. 使用了⼀些锁机制来控制：

• Vector (不推荐使⽤)
• HashTable (不推荐使⽤)
• ConcurrentHashMap
• StringBuffer

StringBuffer 的核心方法都带有 synchronized .  

还有的虽然没有加锁, 但是不涉及 "修改", 仍然是线程安全的： String