Java多线程与并发编程(5)_线程不安全与逃逸分析

悠悠 2023-02-15 01:17 48阅读 0赞

背景：单核CPU，多线程

## 不加锁带来的问题 ##

主要是共享变量带来的问题：

两个线程对初始值为 0 的静态变量一个做自增，一个做自减，各做 5000 次，结果是 0 吗？

public class TestJoin {
        
    
        static int count = 0 ; //共享变量
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            Thread t1 = new Thread(()->{
        
                for (int i = 0; i < 5000; i++) {
        
                    count ++ ;
                }
            },"t1") ;
    
            Thread t2 = new Thread(()->{
        
                for (int i = 0; i < 5000; i++) {
        
                    count -- ;
                }
            },"t2") ;
    
            t1.start();
            t2.start();
            t1.join();
            t2.join();
            System.out.println(count);
        }
    }

**问题分析**

以上的结果可能是正数、负数、零。为什么呢？

因为 Java 中对静态变量的自增，自减并不是原子操作

必须从字节码来进行分析

例如对于 i++ 而言（i 为静态变量），实际会产生如下的 JVM 字节码指令：

getstatic i // 获取静态变量i的值
    iconst_1 // 准备常量1
    iadd // 自增
    putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i

而 Java 的内存模型如下，完成静态变量的自增，自减需要在主存和工作内存中进行数据交换：

![format_png][]

如果是单线程，代码是顺序执行（不会交错）没有问题

但多线程下这 8 行代码可能交错运行，如下

![format_png 1][]

本质上，这种问题是指令交错运行导致的（假设单核多线程）

那么，多线程如何解决共享变量的正确性的呢？

## 临界区 ##

一个程序运行多个线程本身是没有问题的

问题出在多个线程访问**共享资源**

*  多个线程读**共享资源**其实也没有问题
 *  在多个线程对**共享资源**读写操作时发生**指令交错**，就会出现问题

一段代码块内如果存在对**共享资源**的多线程读写操作，称这段代码块为**临界区**

static int counter = 0;
    static void increment() 
    // 临界区
    {
         
     counter++; }
    static void decrement() 
    // 临界区
    {
         
     counter--; }

多个线程在临界区内执行，由于代码的**执行序列不同**而导致结果无法预测，称之为发生了**竞态条件**

解决方案：为了避免临界区的竞态条件发生，有多种手段可以达到目的

*  基于乐观锁思想的阻塞式的解决方案：synchronized，Lock
 *  基于悲观锁思想的非阻塞式的解决方案：原子变量

## 变量的线程安全分析 ##

**类成员变量**：

*  如果没有被共享，则线程安全
 *  如果被共享了
    
     *  如果只有读操作，则线程安全
     *  如果有读写操作，则这段代码是临界区，需要考虑线程安全

**局部变量**：

*  局部变量是线程安全的，因为JVM会为每个线程建立栈帧，局部变量存在栈帧中，是线程独享的，不会被共享
 *  但局部变量引用的对象则未必
    
     *  如果该对象没有逃离方法的作用范围，它是线程安全的（逃逸分析）
     *  如果该对象逃离方法的作用范围（引用堆中的对象），或引用的对象为类成员变量，需要考虑线程安全

重点说下局部变量的引用问题

观察下面代码，分析

class ThreadUnsafe {
        
        /*类成员变量*/
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
    
        public void method1(int loopNumber) {
        
            for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
        
                // { 临界区, 会产生竞态条件
                method2();
                method3();
                // }
            }
        }
        private void method2() {
        
            list.add("1");
        }
        private void method3() {
        
            list.remove(0);
        }
    
    }

分析：

无论哪个线程中的 method2、method3 引用的都是同一个对象，堆中的list对象

![format_png 2][]

将list改为局部变量，则线程安全

public void method1(int loopNumber) {
        
            ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
            for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
        
                method2(list);
                method3(list);
            }
        }
        private void method2(List list) {
        
            list.add("1");
        }
        private void method3(List list) {
        
            list.remove(0);
        }

*  list 是局部变量，**每个线程调用时会创建其不同实例，没有共享**
 *  而 method2 的参数是从 method1 中传递过来的，与 method1 中引用同一个对象，在同一个线程内的方法的同步调用的
 *  method3 的参数分析与 method2 相同

![format_png 3][]

这样就安全了吗？未必，如果method2或method3的方法修饰符是public，同时又有一个子类继承了这两个方法的一个，并且在子类的重写方法中又创建了一个线程，那么又造成了多个线程访问一个变量的情况，即使是局部变量，它也变成了共享的了，这是逃逸分析中的对象参数逃逸，简单理解为list逃逸了原来方法的作用范围，跑到了子类中的方法

可以看出 private 或 fifinal 提供【安全】的意义所在，请体会设计模式中开闭原则中的【闭】

## 常见的线程安全类 ##

*  String
 *  Integer
 *  StringBuffffer
 *  Random
 *  Vector
 *  Hashtable
 *  java.util.concurrent 包下的类

这里说它们是线程安全的是指，多个线程调用它们同一个实例的某个方法时，是线程安全的。如

*  线程安全类的的每个方法是原子的
 *  但**注意**它们多个方法的组合不是原子的

String、Integer 等都是不可变类，因为其内部的状态不可以改变，因此它们的方法都是线程安全的

你或许有疑问，String 有 replace，substring 等方法可以改变值啊，那么这些方法又是如何保证线程安全的呢？事实上，这些方法并不是真的改变值，而是通过建立新的串或值来达到改变的效果

[format_png]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9naXRlZS5jb20vanVuc2lyMS9NeVBpY0Nsb3VkU3RvcmUvcmF3L21hc3Rlci9pbWcvMjAyMDA2MDQwMTIyMDMucG5n?x-oss-process=image/format,png
[format_png 1]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9naXRlZS5jb20vanVuc2lyMS9NeVBpY0Nsb3VkU3RvcmUvcmF3L21hc3Rlci9pbWcvMjAyMDA2MDQwMTQ2NDUucG5n?x-oss-process=image/format,png
[format_png 2]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9naXRlZS5jb20vanVuc2lyMS9NeVBpY0Nsb3VkU3RvcmUvcmF3L21hc3Rlci9pbWcvMjAyMDA2MDQwMzQxMTcucG5n?x-oss-process=image/format,png
[format_png 3]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9naXRlZS5jb20vanVuc2lyMS9NeVBpY0Nsb3VkU3RvcmUvcmF3L21hc3Rlci9pbWcvMjAyMDA2MDQwMzQ3MDEucG5n?x-oss-process=image/format,png