線程安全怎么辦

線程安全一直是多線程開發(fā)中需要注意的地方，可以說，并發(fā)安全保證了所有的數(shù)據(jù)都安全。

1 線程不安全示例

線程安全其實(shí)是多線程編程里面的一個(gè)核心點(diǎn)，所有的設(shè)計(jì)和代碼都是為了實(shí)現(xiàn)線程的高效與安全。

多線程中有幾個(gè)比較核心概念，即原子性，可見性，順序性。那么線程安全也會(huì)圍繞著這三個(gè)核心來展開嘍。

下面我們看一兩個(gè)簡單的問題多線程。

簡單買票的線程安全問題

public class ThreadSafeDemo3 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        TicketStation station = new TicketStation();
        new Thread(station,"軟軟").start();
        new Thread(station,"冰冰").start();
        new Thread(station,"指北君").start();
    }
}
class TicketStation implements Runnable{
    int ticketCount = 10;
    boolean hasTicket = true;
    @Override
    public void run() {
        while(hasTicket){buyTicket();}
    }
    private void buyTicket(){
        if (ticketCount < 1) {
            hasTicket = false;
            return;
        }
        try {
            Thread.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " get the ticket"+ ticketCount--);
    }
}

運(yùn)行幾遍就有可能會(huì)出現(xiàn)下面的錯(cuò)誤不預(yù)期的結(jié)果。一個(gè)線程賣完了票，但是另外兩個(gè)線程都還不知道。

image-20210926221216385

多線程操作非線程安全對(duì)象問題

public class ThreadSafeDemo2 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        List< String > list = new ArrayList<  >();
        for (int i =0 ;i< 20 ;i++) {
            new Thread(() - > {
                for (int j = 0; j < 5; j++) {
                    list.add(Thread.currentThread().getName() + j);
                }
            }, "thread" + i).start();
        }
        Thread.sleep(1000*3);
        System.out.println(list.size());
    }
}

以上代碼多執(zhí)行幾次之后會(huì)，所得list的size不會(huì)等于100。問題就在于多線程操作同一個(gè)線程不安全的List的時(shí)候，會(huì)是結(jié)果與預(yù)期不符，出現(xiàn)線程安全問題。

以上是兩個(gè)線程不安全的示例，而對(duì)于線程安全，應(yīng)該要做到如下：

當(dāng)多個(gè)線程訪問某個(gè)方法的時(shí)候，不管你通過怎樣的調(diào)用方法，或者說這些線程如何交替執(zhí)行，我們?cè)谥鞒绦蛑胁恍枰プ鋈魏蔚耐剑@個(gè)類的行為都是我們?cè)O(shè)想的正確行為，那么我們可以說這個(gè)類是線程安全的。即可以保證原子性，可見性，順序性。

2 并發(fā)安全的問題根源

線程不安全指的是多線程并發(fā)執(zhí)行某個(gè)代碼時(shí)，產(chǎn)生了邏輯上的錯(cuò)誤，結(jié)果和預(yù)期值不相同。

其原因可以總結(jié)如下：

• Java線程是搶占執(zhí)行的。
• 有些操作不是原子的，cpu在處理某一個(gè)線程的時(shí)候，有可能被其他線程搶去做工。
• 內(nèi)存共享可變。
• 指令重排序：Java編譯器在編譯代碼時(shí)，會(huì)對(duì)最終執(zhí)行的指令重排序，它會(huì)保證原有邏輯不變的情況下，提高程序的運(yùn)行效率。

3 線程安全不是絕對(duì)的

《深入理解JVM》中有講到如果要保證絕對(duì)線程安全，在大多數(shù)的應(yīng)用場景下是難以做到的，或者說很難做到，即使做到，也會(huì)付出很大的代價(jià)。而且在Java中標(biāo)注的某些線程安全的類也不是絕對(duì)的線程安全，也需要在調(diào)用時(shí)使用一些額外操作。

我們大多時(shí)候都是盡量保證線程的相對(duì)安全，對(duì)一個(gè)對(duì)象單獨(dú)操作的時(shí)候保證線程安全，而對(duì)于一些特殊的調(diào)用情況，我們則需要采取一些同步操作付諸。

4 線程安全的實(shí)現(xiàn)方法

我們?cè)趯懘a的時(shí)候，保證線程安全的方法有多種，下面我們介紹幾種方式。

4.1 互斥同步

互斥的特點(diǎn)是在同一時(shí)刻只有一個(gè)線程獲得執(zhí)行權(quán)利，其余線程則會(huì)等待。( 同一時(shí)刻，只有一個(gè)線程在操作共享數(shù)據(jù) ) 互斥是實(shí)現(xiàn)同步的一種手段， 臨界區(qū)、互斥量、信號(hào)量都是主要的互斥實(shí)現(xiàn)方式。即通過實(shí)現(xiàn)互斥來最終完成同步的目的。

4.1.1 Synchronized

synchronized是同步鎖，主要用來控制線程同步，保證某個(gè)鎖住的內(nèi)容不被多個(gè)線程同步執(zhí)行。上述買票的例子中，在buyTicket方法上加上synchronized關(guān)鍵字，就可以使線程同步執(zhí)行了。

private synchronized  void  buyTicket(){}

其中synchronized 使用有幾點(diǎn)注意：

1. 加到非靜態(tài)方法前，表示鎖this，即當(dāng)前對(duì)象
2. 加到靜態(tài)方法前，表示鎖當(dāng)前類的所有類對(duì)象

4.1.2 Lock

Lock 是Java1.6之后引入的。使用Lock可以對(duì)鎖進(jìn)行多種操作，可以手動(dòng)的獲取鎖，釋放鎖。

我們用ReentrantLock （ReentrantLock傳送門。。。）改寫上述購票行為。

class TicketLockStation implements Runnable{
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    int ticketCount = 10;
    boolean hasTicket = true;
    @Override
    public void run() {
        while(hasTicket){buyTicket();}
    }
    private void  buyTicket(){
        lock.lock();
        try {
        if (ticketCount < 1) {
            hasTicket = false;
            return;
        }
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " get the ticket"+ ticketCount--);

        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

以上為簡單Lock示例，其中Lock中還有tryLock()（如果獲取不到鎖立即返回）， tryLock(long time, TimeUnit unit)（一段時(shí)間后獲取不到鎖則返回）等方法。

上邊就是Lock的簡單示例。

4.2 非阻塞同步

非阻塞同步可以描述為 基于沖突檢測的樂觀并發(fā)策略 ，關(guān)鍵點(diǎn)就是沖突檢測以及樂觀的并發(fā)策略。

沖突檢測是指當(dāng)發(fā)生共享數(shù)據(jù)搶奪的話，我們會(huì)進(jìn)行重試檢測，直到成功為止。而樂觀的并發(fā)策略的實(shí)現(xiàn)大多時(shí)候都不需要掛起線程。

4.2.1 CAS

CAS（Compare And Swap）是非阻塞的一個(gè)實(shí)現(xiàn)，其核心指令有3個(gè)操作數(shù)，分別為內(nèi)存地址V， 舊值A(chǔ)，新值B。當(dāng)CAS執(zhí)行時(shí)當(dāng) V的內(nèi)存地址對(duì)應(yīng)的值與A匹配時(shí)，本操作就會(huì)用B來更新V對(duì)應(yīng)的值，否則不執(zhí)行更新。但無論是否更新了V對(duì)應(yīng)的值，都會(huì)返回V處對(duì)應(yīng)的舊值。而且此操作為原子操作。

CAS有一個(gè)缺點(diǎn)就是ABA問題，V處的值原來是A，后來變成了B,然后又變成了A。使用CAS檢查的時(shí)候發(fā)現(xiàn)其值沒變化，然而實(shí)際上已經(jīng)發(fā)生了變化。對(duì)于解決ABA問題，可以使用版本號(hào)的思路來解決，在更新變量的時(shí)候把版本號(hào)加一。然后對(duì)比的時(shí)候也對(duì)比版本號(hào)，版本號(hào)與值全都相等則執(zhí)行更新。

4.3 無同步方案

保證線程安全的方法中，也并不是一定要使用同步。同步只是在保證共享數(shù)據(jù)在有競爭條件的時(shí)候使用。如果有方法可以避免共享數(shù)據(jù)的競爭，那么自然就不需要任何同步操作去保證數(shù)據(jù)的正確。所以在有一些場景下，代碼自身就已經(jīng)保證了線程安全，而無須使用同步方法。

4.3.1 棧封閉

其實(shí)主要就是盡量保證數(shù)據(jù)的操作在一個(gè)棧幀中，也就是局部變量，避免過多的去操作共享內(nèi)存數(shù)據(jù)。

4.3.2 線程本地存儲(chǔ)

如果代碼中所需的數(shù)據(jù)必須與其他代碼共享，那么就可以看看這些共享數(shù)據(jù)的代碼是否能保證在同一個(gè)線程中執(zhí)行。如果可以保證共享數(shù)據(jù)在同一個(gè)線程之內(nèi)是可見的，那么線程之間也就不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)的競爭。

ThreadLocal就是一個(gè)最典型的例子，Web應(yīng)用中的Request也是這樣的思路。

4.3.3 可重入代碼 （Reentrant Code）

可重入代碼指在代碼執(zhí)行的任何時(shí)刻中斷它，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行另外一段代碼，而控制權(quán)返回后，原來的程序不會(huì)出現(xiàn)任何錯(cuò)誤。所有的可重入代碼都是線程安全的。一般而言可重入代碼不依賴存儲(chǔ)在堆上的數(shù)據(jù)以及公共的系統(tǒng)資源，用到的狀態(tài)量都是有參數(shù)傳入，或者說不調(diào)用，非可重入的方法等。

總結(jié)

關(guān)于線程安全，我們可以總結(jié)以下的一些思路。

1. 使用互斥同步的方法。
   • 使用Synchronized
   • 使用Lock
2. 使用非阻塞同步方案。
   • CAS 等。
3. 無同步方案
   其實(shí)就是在設(shè)計(jì)上盡量避免共享變量的使用，這樣也就可以避免線程安全問題的發(fā)生。