多线程带来的风险——线程安全

Posted 2021-07-05 无赖H4

线程安全

• 线程安全
• 原子性
• • 常见的操作是原子的
  • 常见的不是原子的操作
• 内存可见性
• • JMM
• 代码重排序
• • 那些场景下会存在线程安全
  • 常见的一些类

线程安全

1. 多线程代码中往往表现出很强的随机性
   其主要原因是：线程调度所导致的

一个程序是线程安全的概念：程序的运行结果100%符合程序开发的期望

为什么会出现线程不安全的情况

1. 没有保证原子性
2. 存在内存可见性问题
3. 由于代码重排序所带来的的问题

原子性

高级语言中的一条语句往往对应的是很多条指令，例如：n++
指令：

1. 把n这个变量对应的内存中的数据，加载到寄存器中 （ LOAD）
2. 在寄存器中，利用ALU完成自增（+1）操作 （INC）
3. 把寄存器中的数据，保存回n这个变量对应的内存中（STORE）

不保证原子性会给多线程带来什么问题：

如果一个线程正在对一个变量操作，突然时间片耗尽，另一个线程开始操作，结果可能是错误的。

原子性：一组操作，不能被打断，或者打断之后没有副作用。

常见的操作是原子的

1. a == b ，不是原子的（读b的值，赋值给a）
2. byte/short/char/int/boolean/float a = 1; 是原子的
3. long/double a = 1L; 不是原子的（高32位赋值，低32位赋值）
4. 引用 a = null; 是原子的
5. a == b 32位+引用 是原子的；64位不是原子

常见的不是原子的操作

read-write： a = b
check-update: if(a == …) { a = …;}

内存可见性

在真实的计算机中，会存在一个高速缓存器（Cache），它的作用是提前加载数据，方便CPU的读取
例如：每次进行操作都需要执行，LOAD/STORE 等，比较耗时，当出现存储器后，只需要最开始加载，最后写入即可。
问题:
当出现多个CPU，操作同一个数据，数据因为没有及时的更新，所以会出现错误。

内存可见性：由于CPU缓存技术的出现，导致在多个CPU的场景下，可能出现数据不一致的情况——内存中的数据相互之间不见了。

JMM

JMM(Java Memory Model)Java内存模型
存储被分为两类：主存储+工作存储
主存储只有一份。工作存储每个线程各一份。JVM可以根据具体场景决定什么时候在同步回主存储中。

CPU ——> 线程
属于CPU的缓存——> 工作存储
真实的内存 ——> 主存储

代码重排序

1. CPU最终执行代码（指令）的顺序并不一定和书写顺序完全一致，过程中，代码被交换过顺序了。例如：小时候的统筹安排时间的问题，找最短时间

a = 1;b = 2; c = 3; 可能重排序后是： a = 1; c = 3; b = 2;
2. 在很多时候，我们的书写顺序并不是效率最高的顺序。
3. 那些可以帮我们重排序： 编译器（javac）、虚拟机（JVM）、CPU
4. JVM进行重排序的底线是什么？

在单线程的情况下，无论如何进行重排序，程序的运行结果不能出现变化。
多线程情况下，不做保证

那些场景下会存在线程安全

共享的数据——共享资源

1. 线程和线程之间，完全没有对同一个数据的共享操作。——天生线程安全
2. 线程和线程之间，有数据共享，但都是只读操作。——天生线程安全
3. 线程和线程之间，有数据共享，并且至少有一个线程在做修改操作时——需要考虑线程安全爆出

常见的一些类

程序的线程安全：运行结果100%符合预期
类/对象是线程安全：使用这些类/对象的使用者们，无需额外做线程安全的考虑

不是线程安全的：
StringBuilder、ArrayList、LinkedList、PriorityQueue、HashMap、TreeMap、Connection

线程安全：（但是基本被淘汰）
StringBuffer、Vector、Stack、HashTable