线程的安全性 - 并发基础篇

偏执的太偏执、 2022-10-15 15:55 101阅读 0赞

# 简介 #

当多个线程访问某个类时，这个类始终都能表现出正确的行为，那么就说这个类是线程安全的。

# 目录 #

这次分三步走：关于相关知识点，放在文末的脑图里了，大家想看结论的，可直接下拉观看哦。

1.创建一个线程安全的类  
2.创建一个线程不安全的类：有一个状态变量  
3.创建一个线程不安全的类：有多个状态变量

# 正文 #

线程的安全性主要是针对对象的状态（实例属性或静态属性）而言的，如果在多线程中，访问到的对象状态不一致（比如常见的自增属性），那么就是线程不安全的

下面我们一步步来

先来个无状态类

### 第一步：无状态类 ###

这里我们写一个简单的线程安全类，简单到什么地步呢？如下所示

public class SafeDemo { 
    
        public int sum(int n, int m){ 
            return n + m;
        }
    }

就是这么简单，我们说这个类是线程安全的。

> 为啥安全呢？

因为这个类没有状态，即无状态类；

只有局部变量n,m，而这些局部变量是存在于栈中的，栈是每个线程独有的，不跟其他线程共享，堆才共享

所以每个线程操作sum时，对应的n,m只有自己可见，当然就安全了

好了，通过上面的例子，我们知道了什么是线程安全类，那本节的内容就到此结束了，再见。

![在这里插入图片描述][2021052601181223.png]

上面的例子，我们举了一个无状态类，接下来我们添加一个状态试试

### 第二步：加一个状态变量 ###

加一个状态变量（静态属性），代码如下

public class UnSafeDemo { 
    
        static int a = 0;
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
    				// 线程1
            new Thread(()-> { 
                for(int j=0;j<100000;j++){ 
                    a++;
                }
              
            }).start();
    				// 线程2
            new Thread(()-> { 
                for(int j=0;j<100000;j++){ 
                    a++;
                }
            }).start();
    				
            Thread.sleep(3000);
          	// 这里不是每次运行都会输出200,000
            System.out.println(a);
        }
    }

上面我们创建了两个线程，每个线程都执行10万次的自增操作

但是因为**自增不是原子操作**，实际分三步：读-改-写

此时如果两个线程同时读到相同的值，则累加次数就会少一次

**这种在并发编程中，由于不恰当的执行时序而出现不正确的结果的情况，叫做竞态条件**

如下图所示：

期望的是正常执行，每个线程交替执行

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xpX0ppYW5fSHVpXw_size_16_color_FFFFFF_t_70]

结果却有可能是不正常的，如下

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xpX0ppYW5fSHVpXw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

这时我们就可以说，上面加的这个状态是不安全的，结果就是整个类也是不安全的。

**不安全的状态有二:**

1.  可变状态（变量）：非final修饰的变量
2.  共享状态（变量）：非局部变量

像上面这个例子，状态就同时属于可变状态和共享状态。

**那要怎么确保安全:**

1.  同步：synchronized、volatile、显式锁、原子变量（比如AtomicInteger）
2.  不可变变量：final（都不能改了，当然安全了）
3.  不共享变量：不在多线程中共享变量（即局部变量）

> PS：代码的封装性越好，访问可变变量的代码块越少，越容易确保线程安全

这里的自增我们就可以用同步中的原子变量来解决。

> 关于原子变量的细节，后面章节再介绍，这里只需要知道，原子变量内部的操作是原子操作就可以了

修改后的代码如下：

public class SafeDemo { 
        static final AtomicInteger a = new AtomicInteger(0);
    //    static int a = 0;
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
    				// 线程1
            new Thread(()-> { for(int j=0;j<100000;j++){ // 这里的自增是原子操作 a.incrementAndGet(); } }).start(); // 线程2 new Thread(()-> { for(int j=0;j<100000;j++){ // 这里的自增是原子操作 a.incrementAndGet(); } }).start(); Thread.sleep(3000); System.out.println(a.get());
        }
    }

可以看到，加了AtomicInteger.incrementAndGet()方法，这个方法是原子操作

这时，不管怎么运行，都是输出200,000

**第三步：加多个状态变量**

上面我们加了一个状态变量，可以用**原子变量**来保证线程安全

那如果是多个状态变量呢？此时就算用了**原子变量**也不行了

因为原子变量只是保证它内部是原子操作，但是当多个原子变量放到一起组合操作时，他们之间又存在**竞态条件**了，就又不是原子操作了

> 竞态条件：并发编程中，由于不恰当的执行时序而出现不正确的结果的情况，就是竞态条件（重复陈述ing，加深记忆）

代码如下：

public class UnSafeDemo2 { 
        static final AtomicInteger a = new AtomicInteger(0);
        static final AtomicInteger b = new AtomicInteger(0);
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
    
            new Thread(()-> { for(int j=0;j<10000;j++){ a.incrementAndGet(); b.incrementAndGet(); if(a.get()!=b.get()){ 
                        // 理想状态的话，不会运行到这里，因为a和b是一起自增的
                        // 但是大部分时候都是不正常的，因为a和b各自是原子操作，但是放到一起就不是原子操作了
                        System.out.println(1);
                    }
                }
            }).start();
    
            new Thread(()-> { for(int j=0;j<10000;j++){ a.incrementAndGet(); b.incrementAndGet(); if(a.get()!=b.get()){ 
                        // 理想状态的话，不会运行到这里，因为a和b是一起自增的
                        // 但是大部分时候都是不正常的，因为a和b各自是原子操作，但是放到一起就不是原子操作了
                        System.out.println(2);
                    }
                }
            }).start();
        }
    }

上面多次运行，会发现基本上每次都会打印1和2，就是因为这两个线程之间存在竞态条件

> 那怎么解决呢？

上锁

代码如下：

public class UnSafeDemo2 { 
        static final AtomicInteger a = new AtomicInteger(0);
        static final AtomicInteger b = new AtomicInteger(0);
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
            // 单独创建一个对象，用来充当锁
            UnSafeDemo2 unSafeDemo2 = new UnSafeDemo2();
            new Thread(()-> { for(int j=0;j<10000;j++){ // 这里加了锁 synchronized (unSafeDemo2){ a.incrementAndGet(); b.incrementAndGet(); if(a.get()!=b.get()){ 
                            // 现在肯定是理想状态，不会运行到这里
                            System.out.println(1);
                        }
                    }
                }
            }).start();
    
            new Thread(()-> { for(int j=0;j<10000;j++){ // 这里加了锁 synchronized (unSafeDemo2){ a.incrementAndGet(); b.incrementAndGet(); if(a.get()!=b.get()){ 
                            // 现在肯定是理想状态，不会运行到这里
                            System.out.println(2);
                        }
                    }
                }
            }).start();
        }
    }

这里用到的锁为内置锁，还有很多其他锁，这里就不展开了（后面章节再介绍）

> 注意：同步代码必须上同一个锁才有用，比如上面的例子，两个线程都是上的unsafeDemo2这个锁  
> 你们可以试一下，一个上unsafeDemo2锁，一个上Object锁，看会输出啥

内置锁也叫监视器锁

**特点：**

*  互斥性：即一个线程持有锁，其他线程就要等待锁释放后才可以获取锁
 *  可重入性：如果某个线程尝试去获取一个锁，而这个锁之前就是这个线程所持有的，那么这个线程就可以再次获取到锁
 *  好处：避免了死锁：比如一个子类继承父类的synchronized方法，并显示调用父类的synchronized方法，如果不可重入，那么在子类中获取的锁，调用子类的fun方法是没问题的，但是调用父类的fun方法时，会提示上了锁，从而被阻塞，此时就会死锁（自己持有锁，还有再去获取锁，但是又获取不到）
 *  缺点：跟状态有关的方法都需要上锁：操作麻烦，其实就是类的每个方法都需要上锁，如果后面添加了一个方法，忘记加锁，那还是有安全问题（比如被人们遗弃的Vector）
 *  性能问题：整个方法都上锁，性能很低，尤其是一些耗时操作，比如网络IO这种容易阻塞的操作

**解决：**

*  缩小锁的范围
 *  将耗时长的操作（前提是操作与状态无关），放到同步之外的代码块

> 好了，本章内容就先到这里吧，后面还有太多东西了，慢慢来吧。

# 总结 #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xpX0ppYW5fSHVpXw_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

[2021052601181223.png]: /images/20221014/1631b69aa3694057913bde0f783b3364.png
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