Java多线程之线程安全问题详情

2024-04-02 19:55

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1.线程安全概述

1.1什么是线程安全问题

首先我们需要明白操作系统中线程的调度是抢占式执行的，或者说是随机的，这就造成线程调度执行时线程的执行顺序是不确定的，有一些代码执行顺序不同不影响程序运行的结果，但也有一些代码执行顺序发生改变了重写的运行结果会受影响，这就造成程序会出现bug，对于多线程并发时会使程序出现bug的代码称作线程不安全的代码，这就是线程安全问题。

下面，将介绍一种典型的线程安全问题实例，整数自增问题。

1.2一个存在线程安全问题的程序

有一天，老师布置了这样一个问题：使用两个线程将变量count自增10万次，每个线程承担5万次的自增任务，变量count的初始值为0。这个问题很简单，最终的结果我们也能够口算出来，答案就是10万。小明同学做事非常迅速，很快就写出了下面的一段代码：

class Counter {
    private int count;
    public void increase() {
        ++this.count;
    }
    public int getCount() {
        return this.count;
    }
}

public class Main11 {
    private static final int CNT = 50000;
    private static final Counter counter = new Counter();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < CNT; i++) {
                counter.increase();
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < CNT; j++) {
                counter.increase();
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();

        thread1.join();
        thread2.join();

        System.out.println(counter.getCount());
    }
}

按理来说，结果应该是10万，我们来看看运行结果：

运行的结果比10万要小，你可以试着运行该程序你会发现每次运行的结果都不一样，但绝大部分情况，结果都会比预期的值要小，下面我们就来分析分析为什么会这样。

2.线程加锁与线程不安全的原因

2.1案例分析

上面我们使用多线程运行了一个程序，将一个变量值为0的变量自增10万次，但是最终实际结果比我们预期结果要小，原因就是线程调度的顺序是随机的，造成线程间自增的指令集交叉，导致运行时出现两次自增但值只自增一次的情况，所以得到的结果会偏小。

我们知道一次自增操作可以包含以下几条指令：

将内存中变量的值加载到寄存器，不妨将该操作记为load。
在寄存器中执行自增操作，不妨将该操作记为add。
将寄存器的值保存至内存中，不妨将该操作记为save。

我们来画一条时间轴，来总结一下常见的几种情况：

情况1： 线程间指令集，无交叉，运行结果与预期相同，图中寄存器A表示线程1所用的寄存器，寄存器B表示线程2所用的寄存器，后续情况同理。

情况2： 线程间指令集存在交叉，运行结果低于预期结果。

情况3： 线程间指令集完全交叉，实际结果低于预期。

根据上面我们所列举的情况，发现线程运行时没有交叉指令的时候运行结果是正常的，但是一旦有了交叉会导致自增操作的结果会少1，综上可以得到一个结论，那就是由于自增操作不是原子性的，多个线程并发执行时很可能会导致执行的指令交叉，导致线程安全问题。

那如何解决上述线程不安全的问题呢？当然有，那就是对对象加锁。

2.2线程加锁

2.2.1什么是加锁

为了解决由于“抢占式执行”所导致的线程安全问题，我们可以对操作的对象进行加锁，当一个线程拿到该对象的锁后，会将该对象锁起来，其他线程如果需要执行该对象的任务时，需要等待该线程运行完该对象的任务后才能执行。

举个例子，假设要你去银行的ATM机存钱或者取款，每台ATM机一般都在一间单独的小房子里面，这个小房子有一扇门一把锁，你进去使用ATM机时，门会自动的锁上，这个时候如果有人要来取款，那它得等你使用完并出来它才能进去使用ATM，那么这里的“你”相当于线程，ATM相当于一个对象，小房子相当于一把锁，其他的人相当于其他的线程。

在java中最常用的加锁操作就是使用synchronized关键字进行加锁。

2.2.2如何加锁

synchronized 会起到互斥效果, 某个线程执行到某个对象的 synchronized 中时, 其他线程如果也执行到同一个对象 synchronized 就会阻塞等待。线程进入 synchronized 修饰的代码块, 相当于 加锁，退出 synchronized 修饰的代码块, 相当于 解锁。

java中的加锁操作可以使用synchronized关键字来实现，它的常见使用方式如下：

方式1： 使用synchronized关键字修饰普通方法，这样会使方法所在的对象加上一把锁。例如，就以上面自增的程序为例，尝试使用synchronized关键字进行加锁，如下我对increase方法进行了加锁，实际上是对某个对象加锁，此锁的对象就是this，本质上加锁操作就是修改this对象头的标记位。

class Counter {
    private int count;
    synchronized public void increase() {
        ++this.count;
    }
    public int getCount() {
        return this.count;
    }
}

多线程自增的main方法如下，后面会以相同的栗子介绍synchronized的其他用法，后面就不在列出这段代码了。

public class Main11 {
    private static final int CNT = 50000;
    private static final Counter counter = new Counter();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < CNT; i++) {
                counter.increase();
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < CNT; j++) {
                counter.increase();
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();

        thread1.join();
        thread2.join();

        System.out.println(counter.getCount());
    }
}

看看运行结果：

方式

2：使用synchronized关键字对代码段进行加锁，但是需要显式指定加锁的对象。 例如：

class Counter {
    private int count;
    public void increase() {
        synchronized (this){
            ++this.count;
        }
    }
    public int getCount() {
        return this.count;
    }
}

运行结果：

方式3： 使用synchronized关键字修饰静态方法，相当于对当前类的类对象进行加锁。

class Counter {
    private static int count;
    synchronized public static void increase() {
        ++count;
    }
    public int getCount() {
        return this.count;
    }
}

运行结果：

常见的用法差不多就是这些，对于线程加锁（线程拿锁），如果两个线程同时拿一个对象的锁，就会产生锁竞争，两个线程同时拿两个不同对象的锁不会产生锁竞争。对于synchronized这个关键字，它的英文意思是同步，但是同步在计算机中是存在多种意思的，比如在多线程中，这里同步的意思是“互斥”；而在IO或网络编程中同步指的是“异步”，与多线程没有半点的关系。

synchronized 的工作过程:

获得互斥锁lock
从主内存拷贝变量的最新副本到工作的内存
执行代码
将更改后的共享变量的值刷新到主内存
释放互斥锁unlock

synchronized 同步块对同一条线程来说是可重入的，不会出现自己把自己锁死的问题，即死锁问题，关于死锁后续文章再做介绍。

综上，synchronized关键字加锁有如下性质：互斥性，刷新内存性，可重入性。synchronized关键字也相当于一把监视器锁monitor lock，如果不加锁，直接使用wait方法（一种线程等待的方法，后面细说），会抛出非法监视器异常，引发这个异常的原因就是没有加锁。

2.2.3再析案例

对自增那个代码上锁后，我们再来分析一下为什么加上了所就线程安全了，先列代码：

class Counter {
    private int count;
    synchronized public void increase() {
        ++this.count;
    }
    public int getCount() {
        return this.count;
    }
}

public class Main11 {
    private static final int CNT = 50000;
    private static final Counter counter = new Counter();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < CNT; i++) {
                counter.increase();
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < CNT; j++) {
                counter.increase();
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();

        thread1.join();
        thread2.join();

        System.out.println(counter.getCount());
    }
}

多线程并发执行时，上一次就分析过没有指令集交叉就不会出现问题，因此这里我们只讨论指令交叉后，加锁操作是如何保证线程安全的，不妨记加锁为lock，解锁为unlock，两个线程运行过程如下：线程1首先拿到目标对象的锁，对对象进行加锁，处于lock状态，当线程2来执行自增操作时会发生阻塞，直到线程1的自增操作完毕，处于unlock状态，线程2才会就绪取执行线程2的自增操作。

加锁后线程就是串行执行，与单线程其实没有很大的区别，那多线程是不是没有用了呢？但是对方法加锁后，线程运行该方法才会加锁，运行完该方法就会自动解锁，况且大部分操作并发执行是不会造成线程安全的，只有少部分的修改操作才会有可能导致线程安全问题，因此整体上多线程运行效率还是比单线程高得多。

2.3线程不安全的原因

首先，线程不安全根源是线程间的调度充满随机性，导致原有的逻辑被改变，造成线程不安全，这个问题无法解决，无可奈何。多个线程针对同一资源进行写（修改）操作，并且针对资源的修改操作不是原子性的，可能会导致线程不安全问题，类似于数据库的事务。

由于编译器的优化，内存可见性无法保证，就是当线程频繁地对同一个变量进行读操作时，会直接从寄存器上读值，不会从内存上读值，这样内存的值修改时，线程就感知不到该变量已经修改，会导致线程安全问题（这是编译器优化的结果，现代的编译器都有类似的优化不止于Java），因为相比于寄存器，从内容中读取数据的效率要小的多，所以编译器会尽可能地在逻辑不变的情况下对代码进行优化，单线程情况下是不会翻车的，但是多线程就不一定了，比如下面一段代码：

import java.util.Scanner;

public class Main12 {
    private static int isQuit;
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            while (isQuit == 0) {

            }
            System.out.println("线程thread执行完毕!");
        });
        thread.start();

        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        System.out.println("请输入isQuit的值，不为0线程thread停止执行!");
        isQuit = sc.nextInt();
        System.out.println("main线程执行完毕!");
    }
}

运行结果：

我们从运行结果可以知道，输入isQuit后，线程thread没有停止，这就是编译器优化导致线程感知不到内存可见性，从而导致线程不安全。我们可以使用volatile关键字保证内存可见性。我们可以使用volatile关键字修饰isQuit来保证内存可见性。

import java.util.Scanner;

public class Main12 {
    volatile private static int isQuit;
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            while (isQuit == 0) {

            }
            System.out.println("线程thread执行完毕!");
        });
        thread.start();

        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        System.out.println("请输入isQuit的值，不为0线程thread停止执行!");
        isQuit = sc.nextInt();
        System.out.println("main线程执行完毕!");
    }
}

运行结果：

synchronized与volatile关键字的区别： synchronized关键字能保证原子性，但是是否能够保证内存可见性要看情况（上面这个栗子是不行的），而volatile关键字只能保证内存可见性不能保证原子性。保证内存可见性就是禁止编译器做出如上的优化而已。

import java.util.Scanner;

public class Main12 {
    private static int isQuit;
    //锁对象
    private static final Object lock = new Object();
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(() -> {
                synchronized (lock) {
                    while (isQuit == 0) {

                    }
                    System.out.println("线程thread执行完毕!");
                }
        });
        thread.start();

        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        System.out.println("请输入isQuit的值，不为0线程thread停止执行!");
        isQuit = sc.nextInt();
        System.out.println("main线程执行完毕!");
    }
}

运行结果：

编译器优化除了导致内存可见性感知不到的问题，还有指令重排序也会导致线程安全问题，指令重排序也是编译器优化之一，就是编译器会智能地（保证原有逻辑不变的情况下）调整代码执行顺序，从而提高程序运行的效率，单线程没问题，但是多线程可能会翻车，这个原因了解即可。

3.线程安全的标准类

Java 标准库中很多都是线程不安全的。这些类可能会涉及到多线程修改共享数据, 又没有任何加锁措施。例如，ArrayList，LinkedList，HashMap，TreeMap，HashSet，TreeSet，StringBuilder。但是还有一些是线程安全的，使用了一些锁机制来控制，例如，Vector (不推荐使用)，HashTable (不推荐使用)，ConcurrentHashMap (推荐)，StringBuffer。还有的虽然没有加锁, 但是不涉及 "修改", 仍然是线程安全的，例如String。

在线程安全问题中可能你还会遇到JMM模型，在这里补充一下，JMM其实就是把操作系统中的寄存器，缓存和内存重新封装了一下，其中在JMM中寄存器和缓存称为工作内存，内存称为主内存。其中缓存分为一级缓存L1，二级缓存L2和三级缓存L3，从L1到L3空间越来越大，最大也比内存空间小，最小也比寄存器空间大，访问速度越来越慢，最慢也比内存的访问速度快，最快也没有寄存器访问快。

4.Object类提供的线程等待方法

除了Thread类中的能够实现线程等待的方法，如join,sleep，在Object类中也提供了相关线程等待的方法。

序号	方法	说明
1	public final void wait() throws InterruptedException	释放锁并使线程进入WAITING状态
2	public final native void wait(long timeout) throws InterruptedException;	相比于方法1，多了一个最长等待时间
3	public final void wait(long timeout, int nanos) throws InterruptedException	相比于方法2，等待的最长时间精度更大
4	public final native void notify();	唤醒一个WAITING状态的线程，并加锁，搭配wait方法使用
5	public final native void notifyAll();	唤醒所有处于WAITING状态的线程，并加锁（很可能产生锁竞争），搭配wait方法使用

上面介绍synchronized关键字的时候，如果不对线程加锁会产生非法监视异常，我们来验证一下：

public class TestDemo12 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(5000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("执行完毕！");
        });

        thread.start();
        System.out.println("wait前");
        thread.wait();
        System.out.println("wait后");
    }
}

看看运行结果：

果然抛出了一个IllegalMonitorStateException，因为wait方法的执行步骤为：先释放锁，再使线程等待，你现在都没有加锁，那如何释放锁呢？所以会抛出这个异常，但是执行notify是无害的。

wait方法常常搭配notify方法搭配一起使用，前者能够释放锁，使线程等待，后者能获取锁，使线程继续执行，这套组合拳的流程图如下：

现在有两个任务由两个线程执行，假设线程2比线程1先执行，请写出一个多线程程序使任务1在任务2前面完成，其中线程1执行任务1，线程2执行任务2。这个需求可以使用wait/notify来实现。

class Task{
    public void task(int i) {
        System.out.println("任务" + i + "完成！");
    }
}
public class WiteNotify {
    //锁对象
    private static final Object lock = new Object();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                Task task1 = new Task();
                task1.task(1);
                //通知线程2线程1的任务完成
                System.out.println("notify前");
                lock.notify();
                System.out.println("notify后");
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                Task task2 = new Task();
                //等待线程1的任务1执行完毕
                System.out.println("wait前");
                try {
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                task2.task(2);
                System.out.println("wait后");
            }
        });
        thread2.start();
        Thread.sleep(10);
        thread1.start();
    }
}

运行结果：