Java中线程安全问题

Posted 2021-05-11 Putarmor

线程的安全问题！！！

• • • 一.线程不安全
    • 二.那些情况导致了线程不安全？
    • 三.Java中解决线程不安全的方案
    • • 1.volatile“轻量级”解决线程不安全
      • 2.synchronized自动加锁
      • 3.Lock手动上锁
    • 四.公平锁与非公平锁机制
    • 五.volatile和synchronized的区别
    • 六.synchronized和Lock的区别

一.线程不安全

多线程的执行环境中，程序的执行结果和预期的结果不符合，这就称为发生了线程不安全现象

二.那些情况导致了线程不安全？

大致分为以下5种情况：

（1）CPU抢占执行 （无法解决）；
（2）非原子性 ；
（3）编译器优化（指令重排） 编译器优化在单线程下执行没问题，多线程下优化会发生混乱；
（4）内存的不可见性 ；（volatile轻量级解决）
（5）多个线程修改了同一个变量。（方案：让线程操作自己的变量可以解决该问题，但业务场景发生变化，修改难度变大，通用性不高）

三.Java中解决线程不安全的方案

1.volatile“轻量级”解决线程不安全

volatile的出现可以解决上图所展现的内存不可见问题以及禁止指令重排

• 实现原理：工作内存中的变量操作结束后，强制删除线程工作内存中的变量，起到内存可见
• 注意事项：volatile不能解决原子性问题。volatile可以解决线程不安全问题是错误的（说法不够严谨）

下面两种方案通过对关键代码加锁，让cpu排队执行，锁操作的步骤为： 1）尝试获取锁，如果拿到则加锁，否则排队等待获取锁 2）释放锁操作

2.synchronized自动加锁

①synchronized进行自动加锁和释放锁，是Jvm层面的解决方案

synchronized使用举例：使用两个线程对变量count进行一次++ 和 一次- -

• 没有使用synchronized上锁之前，由于非原子问题，两个线程进行++和- -出现线程不安全问题，通过synchronized关键字的使用，解决了非原子问题，代码运行实际结果和预期结果一致，保证了线程安全。

②synchronized实现原理：

1.基于操作系统而言，通过互斥锁mutex实现
2.从Jvm层面来看，实现了一个监视器锁的加锁和释放锁过程。

3.从Java语言本身来看，存在一个互斥锁mutex对象，锁存在于对象的对象头中，对象头中的“偏向线程ID”，表明该锁被该线程占有，释放锁后，偏向线程ID消失。

• mutex结构信息：
  
  Owner代表锁的拥有者，为null时表示锁未使用；Nest表示锁的使用次数，为0表示没有被使用；此外锁可以嵌套使用，不会发生死锁情况。

③synchronized锁升级过程：

没有线程访问时处于无锁状态 >> 第一个线程访问时，由无锁状态转为偏向锁 >> 轻量级锁（其他线程尝试获取锁，锁处于自旋状态） >> 重量级锁（把没有拿到锁的线程放到等待队列里面）

3.Lock手动上锁

Lock需要程序员自己手动上锁手动释放锁；Lock是一个interface；创建锁时可以通过Lock的实现类ReentrantLock()完成：Lock lock = new ReentrantLock()；加锁操作lock.lock()，释放锁操作lock.unlock()

使用Lock需要注意的问题：

• 一定要把加锁操作lock()放在try/finally外面
• 如果把lock()放在try中会导致两个问题发生：
  （1）try中代码出现异常，此时就会执行finally中释放锁的操作，如果try还没有加锁就去释放锁，势必是不行的。
  （2）try中出现异常后，执行finally中释放锁操作，线程状态异常会将try中业务异常覆盖掉，增加了排除错误的成本。
  
  
  将lock()放在try中第一句可以解决这个问题
  
  
  对比发现，这样做业务异常是不会被线程的状态异常覆盖的，方便了排查错误！！！

四.公平锁与非公平锁机制

• 公平锁线程按顺序执行；非公平锁没有顺序，执行效率更高；Java中默认锁策略为非公平锁机制
• synchronized锁机制：采用非公平锁机制
• Lock锁机制：默认采用非公平锁机制，但是可以显示地声明为公平锁，比如在创建锁对象时，在构造方法中传true：Lock lock = new ReentrantLock(true)

五.volatile和synchronized的区别

volatile可以解决内存不可见问题以及禁止指令重排序，但是不能解决非原子性问题；
synchronized可以解决大部分线程的非安全问题，保证关键代码排队执行，无论何时锁只被一个线程拥有，可解决非原子性问题

六.synchronized和Lock的区别

• 1.synchronized自动加锁和释放锁，而Lock需要手动加锁和释放锁；
• 2.synchronized是Jvm层面的实现，Lock是Java语言层面的实现；
• 3.适用范围不同：synchronized可以修饰代码块（对任意对象加锁）、修饰静态方法（对当前的类进行加锁）、修饰普通的方法（对当前的实例对象进行加锁）；而Lock只能修饰代码块；
• 4.synchronized只有非公平锁策略；Lock默认采用非公平锁机制，但可以显示声明为公平锁；
• 5.Lock的灵活性更高一些（比如：tryLock）

线程后续更新中…