深入理解并发编程：到底什么是线程安全

Posted 2022-08-09 zwhu1216

什么是线程安全

线程安全：

是编程中的术语，指某个函数、函数库在并发环境中被调用时，能够正确地处理多个线程之间的共享变量，使程序功能正确完成。

我们把这个定义拆解一下，我们需要弄清楚这么几点：

1、并发 2、多线程 3、共享变量

1 并发

提到线程安全，必须要提及的一个词那就是并发，如果没有并发的话，那么也就不存在线程安全问题了。

1.1 什么是并发

并发（Concurrent）：在操作系统中，是指一个时间段中有几个程序都处于已启动运行到运行完毕之间，且这几个程序都是在同一个处理机上运行。

那么，操作系统视如何实现这种并发的呢？

现在我们用到操作系统，无论是Windows、Linux还是MacOS等其实都是多用户多任务分时操作系统。使用这些操作系统的用户是可以“同时”干多件事的。

但是实际上，对于单CPU的计算机来说，在CPU中，同一时间是只能干一件事儿的。为了看起来像是“同时干多件事”，分时操作系统是把CPU的时间划分成长短基本相同的时间区间,即”时间片”，通过操作系统的管理，把这些时间片依次轮流地分配给各个用户使用。

如果某个作业在时间片结束之前,整个任务还没有完成，那么该作业就被暂停下来,放弃CPU，等待下一轮循环再继续做.此时CPU又分配给另一个作业去使用。

由于计算机的处理速度很快，只要时间片的间隔取得适当,那么一个用户作业从用完分配给它的一个时间片到获得下一个CPU时间片，中间有所”停顿”，但用户察觉不出来,好像整个系统全由它”独占”似的。

所以，在单CPU的计算机中，我们看起来“同时干多件事”，其实是通过CPU时间片技术，并发完成的。

1.2 并行

并行(Parallel)：当系统有一个以上CPU时，当一个CPU执行一个进程时，另一个CPU可以执行另一个进程，两个进程互不抢占CPU资源，可以同时进行，这种方式我们称之为并行(Parallel)。

并发是两个队伍交替使用一台咖啡机。并行是两个队伍同时使用两台咖啡机。

映射到计算机系统中，上图中的咖啡机就是CPU，两个队伍指的就是两个进程。

2 多线程

进程和线程

理解了并发和并行之间的关系和区别后，我们再回到前面介绍的多任务分时操作系统，看看CPU是如何进行进程调度的。

为了看起来像是“同时干多件事”，分时操作系统是把CPU的时间划分成长短基本相同的”时间片”，通过操作系统的管理，把这些时间片依次轮流地分配给各个用户的各个任务使用。

在多任务处理系统中，CPU需要处理所有程序的操作，当用户来回切换它们时，需要记录这些程序执行到哪里。在操作系统中，CPU切换到另一个进程需要保存当前进程的状态并恢复另一个进程的状态：当前运行任务转为就绪（或者挂起、删除）状态，另一个被选定的就绪任务成为当前任务。上下文切换就是这样一个过程，他允许CPU记录并恢复各种正在运行程序的状态，使它能够完成切换操作。

上下文切换：

多线程会共同使用一组计算机上的CPU，而线程数大于给程序分配的CPU数量时，为了让各个线程都有执行的机会，就需要轮转使用CPU。不同的线程切换使用CPU发生的切换数据等就是上下文切换。

在上下文切换过程中，CPU会停止处理当前运行的程序，并保存当前程序运行的具体位置以便之后继续运行。从这个角度来看，上下文切换有点像我们同时阅读几本书，在来回切换书本的同时我们需要记住每本书当前读到的页码。在程序中，上下文切换过程中的“页码”信息是保存在进程控制块（PCB）中的。PCB还经常被称作“切换帧”（switchframe）。“页码”信息会一直保存到CPU的内存中，直到他们被再次使用。

上下文切换是存储和恢复CPU状态的过程，它使得线程执行能够从中断点恢复执行。上下文切换是多任务操作系统和多线程环境的基本特征。

进程（Process）：

对于操作系统来说，一个任务就是一个进程（Process），比如打开一个浏览器就是启动一个浏览器进程，打开一个记事本就启动了一个记事本进程，打开两个记事本就启动了两个记事本进程，打开一个Word就启动了一个Word进程。

而在多个进程之间切换的时候，需要进行上下文切换。但是上下文切换势必会耗费一些资源。于是人们考虑，能不能在一个进程中增加一些“子任务”，这样减少上下文切换的成本。比如我们使用Word的时候，它可以同时进行打字、拼写检查、字数统计等，这些子任务之间共用同一个进程资源，但是他们之间的切换不需要进行上下文切换。

线程（Thread）：

在一个进程内部，要同时干多件事，就需要同时运行多个“子任务”，我们把进程内的这些“子任务”称为线程（Thread）。

进程VS线程：

随着时间的慢慢发展，人们进一步的切分了进程和线程之间的职责。把进程当做资源分配的基本单元，把线程当做执行的基本单元，同一个进程的多个线程之间共享资源。

进程是操作系统分配资源的最小单元，线程是操作系统调度的最小单元。一个程序至少有一个进程,一个进程至少有一个线程。

PS：线程不占有任何资源。

拿我们比较熟悉的Java语言来说，Java程序是运行在JVM上面的，每一个JVM其实就是一个进程。所有的资源分配都是基于JVM进程来的。而在这个JVM进程中，又可以创建出很多线程，多个线程之间共享JVM资源，并且多个线程可以并发执行。

3 共享变量

共享变量：多个线程都可以操作的变量。

前面我们提到过，进程视分配资源的基本单位，线程是执行的基本单位。所以，多个线程之间是可以共享一部分进程中的数据的。在JVM中，Java堆和方法区的区域是多个线程共享的数据区域。也就是说，多个线程可以操作保存在堆或者方法区中的同一个数据。那么，换句话说，保存在堆和方法区中的变量就是Java中的共享变量。

那么，Java中哪些变量是存放在堆中，哪些变量是存放在方法区中，又有哪些变量是存放在栈中的呢？

类变量、成员变量和局部变量

Java中共有三种变量：

类变量：存放在JVM的方法区，需要考虑线程安全

成员变量：存放在JVM的堆内存，需要考虑线程安全

局部变量：存放在JVM的栈内存，不需要考虑线程安全

多个线程可以操作保存在堆或者方法区中的同一个数据，保存在堆和方法区中的变量就是Java中的共享变量。

public class Variables 

    /**
     * 类变量
     */
    private static int a;

    /**
     * 成员变量
     */
    private int b;

    /**
     * 局部变量
     * @param c
     */
    public void test(int c)
        int d;
    

上面定义的三个变量中，变量a就是类变量，变量b就是成员变量，而变量c和d是局部变量。

所以，变量a和b是共享变量，变量c和d是非共享变量。所以如果遇到多线程场景，对于变量a和b的操作是需要考虑线程安全的，而对于线程c和d的操作是不需要考虑线程安全的。

小结

多线程场景中存在哪些问题会导致无法正确的处理共享变量？ 多线程场景中存在哪些问题会导致程序无法正确完成？ 如何解决多线程场景中影响『正确』的这些问题？ 解决这些问题的各个手段的实现原理又是什么？

servlet是线程安全吗?

Servlet不是线程安全的，servlet是单实例多线程的，当多个线程同时访问同一个方法，是不能保证共享变量的线程安全性的。 

Struts2的action是多实例多线程的，是线程安全的，每个请求过来都会new一个新的action分配给这个请求，请求完成后销毁。 

SpringMVC的Controller是线程安全的吗？不是的，和Servlet类似的处理流程。

Struts2好处是不用考虑线程安全问题；Servlet和SpringMVC需要考虑线程安全问题，但是性能可以提升不用处理太多的gc，可以使用ThreadLocal来处理多线程的问题。

如何确保线程安全？

在Java中可以有很多方法来保证线程安全——同步，使用原子类(atomic concurrent classes)，实现并发锁，使用volatile关键字，使用不变类和线程安全类。