Java 中线程安全问题

Posted 2021-01-13 yjk923

不好意思，一个国庆假期给我放的都不知道东西南北了，放松，很放松，差一点就弃更了，感谢那些催更的小伙伴们！

 

虽然没有更新，但是日常的学习还是有的，以后我尽量给大家分享一些通用知识，非技术。

 

但是本期还是要回归到之前的多前程的话题。已经说了线程和进程的区别、如何实现多线程、今天说一说线程中的安全问题。

 

首先明确一个概念，我们说线程安全是默认在多线程环境中，因为单线程中不存在线程安全问题。线程安全体现在多线程环境中程序的执行结果和单线程执行的结果一样。

 

那么多线程中会存在神马问题呢？举个例子来说，下面这一段代码中存在一个共享变量 count 。当程序调用 add 方法的时候，我们无法确定 count 的值是多少，因为它可能已经被其它线程 add 了很多次，或是正在被 add……

 

public class Obj {
    private int count;

    public int add() {
        return ++count;
    }
}

 

这种情况是坚决不允许的！除非你就是想计算 add 方法被调用的次数。那我们要保证同一时间只能有一个线程访问共享资源，这也就是在实现线程安全。

 

如何实现呢？最常见的方式是加锁和同步。

 

使用锁机制可以保证同一时刻只有一个线程可以拿到锁进入临界区，保证了上锁和释放锁之间的这段代码同一时刻只能被一个线程执行。

 

public void testLock () {
    lock.lock();
    try{
        int j = i;
        i = j + 1;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

 

与锁类似的是同步方法或者同步代码块。使用非静态同步方法时，锁住的是当前实例；使用静态同步方法时，锁住的是该类的 Class 对象；使用静态代码块时，锁住的是 synchronized 关键字后面括号内的对象。

 

public void testLock () {
    synchronized (anyObject){
        int j = i;
        i = j + 1;
    }
}

 

无论使用锁还是 synchronized，本质都是一样，通过锁或同步来实现资源的排它性，从而实际目标代码段同一时间只会被一个线程执行，进而保证了目标代码段的原子性。这是一种以牺牲性能为代价的方法。

 

除了上面的两种方式还有一起其它的方法，比方说使用关键字 volatile 来修饰共享变量，或是保证每一步操作的原子性，但是在实际开发中不建议使用这些方式来保证线程的安全。

 

那我们来看一看，保证线程安全到底是在保证什么？底层的逻辑又是什么呢？

 

线程安全的三大特性，原子性、可见性、有序性。

 

原子性：类似于数据库中说的原子性，不可分割的操纵。这里说的就是对临界区代码的原子性操作，保证了线程的安全。加锁和同步都是在实现原子性。

 

可见性：当一个线程修改了变量后立即同步到主存中，让其它线程知道这个变量已经被改变了。就不会读取到过时的数据。

 

Java 提供了 volatile 关键字来保证可见性。当使用 volatile 修饰某个变量时，它会保证对该变量的修改会立即被更新到内存中，并且将其它线程缓存中对该变量的缓存设置成无效，因此其它线程需要读取该值时必须从主内存中读取，从而得到最新的值。

 

有序性：在程序的执行顺序和代码的编写顺序一样。这就是有序性，但是Java虚拟机为了优化，有一种重排序的机制，也就是说代码的执行顺序不一定是语句的顺序不一致，这在单线程中不会存在问题，JVM 会保证执行结果的正确。然而在多线程中，就会出现问题。

 

Java 中可通过 volatile 在一定程序上保证有序性，另外还可以通过 synchronized 和锁来保证有序性。

 

synchronized 和锁保证有序性的原理和保证原子性一样，都是通过保证同一时间只会有一个线程执行目标代码段来实现的。

 

JVM 为了优化执行顺序，提高性能。设计了重排序机制，然而这个机制在多线程中可能会带来问题，为了解决这个问题，我们可以通过代码保证有序性。这还不够， JVM 本身存在一个机制 happens-before（先行执行）来保证程序执行顺序。其余的代码就随 JVM 怎么弄了，目的提高性能。

 

先行执行机制中定义了好几条规则，拿出几条参观一下，你会感觉，呦，原来你认为很自然的事情是被这个规则所定义的！

 

1 被 volatile 修饰的写操作先发生于后面对该变量的读操作。

2 一个线程内，按照代码顺序执行。

3 Thread 对象的 start() 方法先发生于此线程的其它动作。

4 一个对象构造先于它的 finalize 发生。

……

 

总结一下，线程安全问题发生在多线程环境下对共享变量的操作中，为了防止出现数据状态不一致的情况，我们可以不在多线程中共享变量、将变量设置为 volatile 、使用同步或锁。其实也是在保证线程的特性不受破坏……