线程的安全性 - 并发基础篇

Posted 2022-12-09 汤圆学Java

作者：汤圆

个人博客：javalover.cc

前言

官人们好啊，我是汤圆，今天给大家带来的是《线程的安全性 - 并发基础篇》，希望有所帮助，谢谢

文章纯属原创，个人总结难免有差错，如果有，麻烦在评论区回复或后台私信，谢啦

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

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

结果却有可能是不正常的，如下

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:

• 可变状态（变量）：非final修饰的变量

• 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）

这里要注意：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

官人们可以试一下，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（比如被官人们遗弃的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，差不多先这些吧，后面还有太多东西了，慢慢来吧。

毕竟我们都一大把年纪了，身体要紧呐。

总结

懒了懒了，直接贴图了（敲的脑仁疼），图做的不是很好，不过应该能看懂，望见谅哈

参考内容：

• 《Java并发编程实战》
• 《实战Java高并发》

后记

最后，感谢大家的观看，谢谢

原创不易，期待官人们的三连哟