Java中的线程安全问题（多线程重点）

Posted 2023-02-21 bit_zhy

JAVA中多线程的线程安全问题

• 1.各个线程在系统中抢占式执行（根本原因）
• 2.多个线程对同一个变量执行修改操作
• 3.针对的变量/对象操作不是原子的
• • 针对2，3的一个例子
  • 解决办法：加锁（synchronized）修饰变量/对象
• 4.内存可见性所引发的问题（编译器优化导致）
• • 例子：
  • 解决方法：加锁（synchronized）/volatile
• 5.指令重排序问题（编译器优化导致）
• 总结原因

引起线程安全问题的原因大概有以下五种

1.各个线程在系统中抢占式执行（根本原因）

我们之前提到过，操作系统在执行各个线程的时候是具有随机性的，我们并不能确定谁先被执行谁后被执行，这样一来就很可能引发很多bug，这是引发线程安全问题的根本原因，也是我们无可奈何的原因，因为我们不可能改变操作系统。

2.多个线程对同一个变量执行修改操作

我们这里指的是多个线程对于同一个变量/对象进行修改，如果多个线程对多个变量进行修改，那么并不一定会引发安全问题，或者多个线程对同一个变量只读不改，那么也同理

3.针对的变量/对象操作不是原子的

原子性，我们在学习数据库事务这一块曾接触过，操作的原子性大概就是指，要不就不执行，要执行就一口气的执行完，因为在修改变量时可能涉及到多个CPU的操作指令，这些指令并不被包装成一个原子性的指令，因此很可能引发一些bug

针对2，3的一个例子

我们在这里设想一个情况，如果有两个线程，同时对同一个变量实现自增操作，比方说每个线程自增1w次，那么会发生什么样的结果呢,根据推演应该是该变量从0变成了20000

    static int count = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        Thread t1 = new Thread(() -> 
            for (int i = 0; i < 10000; i++) 
                count++;
            
        );
        Thread t2 = new Thread(() -> 
            for (int i = 0; i < 10000; i++) 
                count++;
            
        );
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(count);
    

但是经过我们多次执行后，发现该变量的最终结果始终在10000-20000之间
这是为什么呢，这其实就是我们上面所提到的线程安全问题的2和3，我们向底层看去，线程在实现count++操作时，实际上是要有三个步骤
第一步：load （将变量的值从内存中加载到CPU寄存器中）
第二步：add （CPU将该寄存器中的值++）
第三步：save（将CPU寄存器中的值写入内存中）
t1和t2线程每一次对count++的时候，都要执行这三个指令，但是由于线程的抢占式执行，导致了这三个指令在两个线程中并发执行的顺序多种多样，十分不确定

如果箭头顺序是执行指令的顺序，那么可能是两个线程串行执行（无论t1线程先还是t2线程先执行，结果都是同理的），那么这个时候，我们可以想象得到，t1先加载count（load），假设这时count是初识状态0，那么加载到寄存器中的count值为0，之后执行add操作，count变为1，最后save写回内存中，此时，内存中的count值为1，那么t2执行load操作时读取到寄存器中的值就是1，执行add后为2，save入内存，如此看来，这样的串行执行的顺序其实是没有问题的，那么问题其实出现在其他顺序中

当线程执行指令的顺序如上图时，我们再想一下，t1执行load，这时t1线程所对应的寄存器加载值为0，t2执行load，t2线程所对应寄存器count值也为0，之后t1执行add，t1寄存器count值为1，t1执行save，内存中count值被修改为1，之后t2执行add时，因为t2是t1add，save之前读取的数据，因此t2读取到的值是0，那么add也是将0变为1，之后t2的save操作，实际上是又将1写入到了内存中，相当于覆盖了t1save的结果，那么内存中最终的count值仍然是1，这样一来就出现了问题，因为抢占式执行的随机性，并且修改这个操作也非原子操作，可以打乱其顺序，如此造成了bug，使得本应该为20000的结果为10000-20000之间（假设全部为串行执行，那么结果为20000，假设全部为混乱执行，那么结果为10000，因此结果一定在10000-20000之间）

解决办法：加锁（synchronized）修饰变量/对象

class Count
    public int count = 0;

    synchronized public void add()
        count++;
    

public class Test2 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        Count count = new Count();
        Thread t1 = new Thread(() -> 
            for (int i = 0; i < 10000; i++) 
                count.add();
            
        );
        Thread t2 = new Thread(() -> 
            for (int i = 0; i < 10000; i++) 
                count.add();
            
        );
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(count.count);
    

可以看到我们在count类的add方法加了锁，这样的原理是，加了锁的方法不可以重复加锁，相当于通过锁，将count++这个操作中的三个步骤（三个指令）包装成了原子性的，当一个线程加锁执行方法时，另一个线程进入阻塞态，因为已经有锁，必须等该锁解开，才可以再加锁，这样强行的使得操作原子化，使得两个线程一定串行执行，所以最终的结果：

因此并发性越强，越容易出bug，但是并发性越弱，串行性越强，程序执行时间就越长，这是没有办法的

4.内存可见性所引发的问题（编译器优化导致）

我们很多语言的编译器现在都很智能，会在程序员编写代码后，在不影响原来逻辑的情况下进行一系列优化，这样的优化，在针对单线程时，基本上是不会出问题的，但是我们的多线程的执行顺序不确定，导致了这一部分优化可能会改变了逻辑顺序，甚至产生bug，内存可见性所引发的问题就是由于编译器优化所产生的

例子：

我们来看一个例子，如果创建两个线程，一个线程不断的循环执行读操作，另一个线程执行对读操作线程的循环条件的修改，类似于中断线程的一个操作，我们看一下会发生什么：

    static boolean flg = true;
    public static void main(String[] args) 
        Thread t1 = new Thread(() -> 
            while(flg)

            
            System.out.println("读操作线程结束！");
        );
        t1.start();
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        flg = scanner.nextBoolean();
        System.out.println("main线程结束！");
    

在这段代码中，我们自定义了一个标志位flg，在main线程中修改了它的值，如果读线程结束，则会输出“读操作线程结束！”

然而，我们发现当我们输入了false之后，我们发现main线程都结束了也并没有输出读操作线程结束，这样一来就产生了bug，产生这样bug的原因，其实是因为读操作线程中，不断地循环空语句，这样在while的判断中，读线程不断快速的访问内存中的flg的值，实际上是一个很抵消的操作，因为访问内存是一个很浪费时间的操作，这时，编译器就大胆的认为flg的值不变，所以会直接访问读线程所对应的寄存器中的flg的值，也就是执行了一次load操作之后，读操作寄存器中的值是true，之后一直直接访问寄存器中的true，以此来优化代码，但是main线程中执行修改，这一切所对应的flg的改变关系只存在于内存和main线程所对应的寄存器之间，而读线程所对应的寄存器始终没有改变，即使内存中的flg值已经改变了，读线程寄存器中的flg值仍然是之前读到的true，因此读线程没有结束。

解决方法：加锁（synchronized）/volatile

我们在遇到这种编译器优化所带来的问题时，可以采用加锁，加锁可以保证所有的问题的解决，也可以使用volatile，volatile是手动的取消了编译器的优化，但是并没有将操作原子化

当我们将flg用volatile修饰之后，可以发现

main线程和读操作线程都结束了，这说明我们的修改被读线程从内存中读取到了，这样内存可读性问题得以解决

5.指令重排序问题（编译器优化导致）

这个问题比较抽象，我们拿一个图来举例

如果妈妈让我们买菜，写的顺序是上图的茄子，鸡蛋，黄瓜，番茄，那么我们的路线就是

很明显这并不是一个最优最短线路，反而浪费了很长时间，那么这个时候编译器就会自动优化顺序为1.鸡蛋 2.黄瓜 3.茄子 4.番茄，这样一来线路就是

很明显，大大缩短了路程，但是执行这些指令的顺序发生了改变，因此也很有可能出现问题

总结原因

1.线程调度优先级不一定（抢占式执行） -----根本原因
2.多个线程对同一个变量进行修改操作（多个线程对多个变量操作不算在内，读操作也不算在内）
3.针对的变量操作不是原子的（要不不执行，要不就一口气执行完毕）
（比方说读操作，只需要一条机器指令，属于原子的操作，通过加锁，可以将不原子的操作打包成原子的）
4.内存可见性所带来的问题（编译器优化）
5.5.指令重排序（编译器优化）