【多線程】線程安全問(wèn)題原因與解決方案

這篇具有很好參考價(jià)值的文章主要介紹了【多線程】線程安全問(wèn)題原因與解決方案。希望對(duì)大家有所幫助。如果存在錯(cuò)誤或未考慮完全的地方，請(qǐng)大家不吝賜教，您也可以點(diǎn)擊"舉報(bào)違法"按鈕提交疑問(wèn)。

線程安全的概念

線程不安全示例

線程不安全的原因?

? ? 多個(gè)線程修改了同一個(gè)變量

? ? 線程是搶占式執(zhí)行的

? ? 原子性

? ? 內(nèi)存可見(jiàn)性

? ? 有序性

線程不安全解決辦法

?synchronized 關(guān)鍵字-監(jiān)視器鎖monitor lock

? ? synchronized 的特性

????????互斥

????????刷新內(nèi)存

????????可重入

? ? synchronized 使用示例

? ? Java 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的線程安全類

volatile 關(guān)鍵字

? ? volatile 能保證內(nèi)存可見(jiàn)性

? ? volatile 不保證原子性

? ? synchronized 也能保證內(nèi)存可見(jiàn)性

線程安全的概念

如果多線程環(huán)境下代碼運(yùn)行的結(jié)果是符合我們預(yù)期的，即在單線程環(huán)境應(yīng)該的結(jié)果，則說(shuō)這個(gè)程序是線程安全的。

線程不安全示例

public class Insecurity {

    // 定義自增操作的對(duì)象
    private static Counter counter = new Counter();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 定義兩個(gè)線程，分別自增5萬(wàn)次
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                counter.increment();
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                counter.increment();
            }
        });

        // 啟動(dòng)線程
        t1.start();
        t2.start();
        // 等待自增完成
        t1.join();
        t2.join();
        // 打印結(jié)果
        System.out.println("count = " + counter.count);

    }
}

class Counter {
    public int count = 0;
    // 自增方法
    public void increment () {
        count++;
    }
}

【多線程】線程安全問(wèn)題原因與解決方案

線程不安全的原因?

? ? 多個(gè)線程修改了同一個(gè)變量

上面的線程不安全的代碼中 , 涉及到多個(gè)線程針對(duì) counter.count 變量進(jìn)行修改。

counter.count 這個(gè)變量就是在堆上. 因此可以被多個(gè)線程共享訪問(wèn).

? ? 線程是搶占式執(zhí)行的

多個(gè)線程在CPU上調(diào)度是隨機(jī)的，順序是不可預(yù)知的。

? ? 原子性

要么都執(zhí)行，要么都不執(zhí)行。

從內(nèi)存把數(shù)據(jù)讀到 CPU
進(jìn)行數(shù)據(jù)更新
把數(shù)據(jù)寫回到 CPU

【多線程】線程安全問(wèn)題原因與解決方案

? ? 內(nèi)存可見(jiàn)性

?可見(jiàn)性指, 一個(gè)線程對(duì)共享變量值的修改，能夠及時(shí)地被其他線程看到.

Java 內(nèi)存模型 (JMM) : Java 虛擬機(jī)規(guī)范中定義了 Java 內(nèi)存模型 .

目的是屏蔽掉各種硬件和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問(wèn)差異，以實(shí)現(xiàn)讓 Java 程序在各種平臺(tái)下都能達(dá)到一致的并發(fā)效果.

【多線程】線程安全問(wèn)題原因與解決方案

線程之間的共享變量存在主內(nèi)存 (Main Memory).
每一個(gè)線程都有自己的 "工作內(nèi)存" (Working Memory) .
當(dāng)線程要讀取一個(gè)共享變量的時(shí)候, 會(huì)先把變量從主內(nèi)存拷貝到工作內(nèi)存, 再?gòu)墓ぷ鲀?nèi)存讀取數(shù)據(jù).
當(dāng)線程要修改一個(gè)共享變量的時(shí)候, 也會(huì)先修改工作內(nèi)存中的副本, 再同步回主內(nèi)存.

由于每個(gè)線程有自己的工作內(nèi)存 , 這些工作內(nèi)存中的內(nèi)容相當(dāng)于同一個(gè)共享變量的 " 副本 ". 此時(shí)修改線程1 的工作內(nèi)存中的值 , 線程 2 的工作內(nèi)存不一定會(huì)及時(shí)變化

? ? 有序性

有序性是指編譯過(guò)程中，JVM調(diào)用本地接口，CPU執(zhí)行指令過(guò)程中，指令的有序性。

指令在特殊情況下會(huì)打亂順序，并不是按程序員的預(yù)期去執(zhí)行的。

編譯器對(duì)于指令重排序的前提是 " 保持邏輯不發(fā)生變化 ". 這一點(diǎn)在單線程環(huán)境下比較容易判斷 , 但是在多線程環(huán)境下就沒(méi)那么容易了, 多線程的代碼執(zhí)行復(fù)雜程度更高 , 編譯器很難在編譯階段對(duì)代碼的執(zhí)行效果進(jìn)行預(yù)測(cè), 因此激進(jìn)的重排序很容易導(dǎo)致優(yōu)化后的邏輯和之前不等價(jià) .

線程不安全解決辦法

對(duì)于多線程修改同一個(gè)變量，在真實(shí)業(yè)務(wù)中都是修改同一個(gè)變量，無(wú)法避免。

對(duì)于線程是搶占式執(zhí)行的，CPU調(diào)度是隨機(jī)的，這里CPU是硬件層面，沒(méi)辦法處理。

剩下就是解決其他三個(gè)原因：

public class Main {

    // 定義自增操作的對(duì)象
    private static Counter counter = new Counter();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 定義兩個(gè)線程，分別自增5萬(wàn)次
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                counter.increment();
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                counter.increment();
            }
        });

        // 啟動(dòng)線程
        t1.start();
        t2.start();
        // 等待自增完成
        t1.join();
        t2.join();
        // 打印結(jié)果
        System.out.println("count = " + counter.count);

    }
}

class Counter {
    public volatile int count = 0;
    // 自增方法
    public synchronized void increment () {
        count++;
    }
}

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?synchronized 關(guān)鍵字-監(jiān)視器鎖monitor lock

? ? synchronized 的特性

????????互斥

synchronized 會(huì)起到互斥效果 , 某個(gè)線程執(zhí)行到某個(gè)對(duì)象的 synchronized 中時(shí) , 其他線程如果也執(zhí)行到同一個(gè)對(duì)象 synchronized 就會(huì) 阻塞等待

進(jìn)入 synchronized 修飾的代碼塊, 相當(dāng)于加鎖
退出 synchronized 修飾的代碼塊, 相當(dāng)于解鎖

synchronized 用的鎖是存在 Java 對(duì)象頭里的。

可以粗略理解成 , 每個(gè)對(duì)象在內(nèi)存中存儲(chǔ)的時(shí)候 , 都存有一塊內(nèi)存表示當(dāng)前的 " 鎖定 " 狀態(tài) ( 類似于廁所的 " 有人 / 無(wú)人 ").

如果當(dāng)前是 " 無(wú)人 " 狀態(tài) , 那么就可以使用 , 使用時(shí)需要設(shè)為 " 有人 " 狀態(tài) .

如果當(dāng)前是 " 有人 " 狀態(tài) , 那么其他人無(wú)法使用 , 只能排隊(duì)

理解 " 阻塞等待 ".

針對(duì)每一把鎖 , 操作系統(tǒng)內(nèi)部都維護(hù)了一個(gè)等待隊(duì)列 . 當(dāng)這個(gè)鎖被某個(gè)線程占有的時(shí)候 , 其他線程嘗試進(jìn)行加鎖, 就加不上了 , 就會(huì)阻塞等待 , 一直等到之前的線程解鎖之后 , 由操作系統(tǒng)喚醒一個(gè)新的線程, 再來(lái)獲取到這個(gè)鎖 .

注意 :

上一個(gè)線程解鎖之后, 下一個(gè)線程并不是立即就能獲取到鎖. 而是要靠操作系統(tǒng)來(lái) "喚醒". 這也就是操作系統(tǒng)線程調(diào)度的一部分工作.

假設(shè)有 A B C 三個(gè)線程, 線程 A 先獲取到鎖, 然后 B 嘗試獲取鎖, 然后 C 再嘗試獲取鎖, 此時(shí) B和 C 都在阻塞隊(duì)列中排隊(duì)等待. 但是當(dāng) A 釋放鎖之后, 雖然 B 比 C 先來(lái)的, 但是 B 不一定就能獲取到鎖, 而是和 C 重新競(jìng)爭(zhēng), 并不遵守先來(lái)后到的規(guī)則.

synchronized 的底層是使用操作系統(tǒng)的 mutex lock 實(shí)現(xiàn)的 .

????????刷新內(nèi)存

synchronized 的工作過(guò)程 :

獲得互斥鎖
從主內(nèi)存拷貝變量的最新副本到工作的內(nèi)存
執(zhí)行代碼
將更改后的共享變量的值刷新到主內(nèi)存
釋放互斥鎖

所以 synchronized 也能保證內(nèi)存可見(jiàn)性 . 具體代碼參見(jiàn)后面 volatile 部分 .

????????可重入

synchronized 同步塊對(duì)同一條線程來(lái)說(shuō)是可重入的，不會(huì)出現(xiàn)自己把自己鎖死的問(wèn)題；

理解 " 把自己鎖死 "

一個(gè)線程沒(méi)有釋放鎖 , 然后又嘗試再次加鎖 .

代碼示例

在下面的代碼中 ,

increase 和 increase2 兩個(gè)方法都加了 synchronized, 此處的 synchronized 都是針對(duì) this 當(dāng)前對(duì)象加鎖的.
在調(diào)用 increase2 的時(shí)候, 先加了一次鎖, 執(zhí)行到 increase 的時(shí)候, 又加了一次鎖. (上個(gè)鎖還沒(méi)釋放, 相當(dāng)于連續(xù)加兩次鎖)

這個(gè)代碼是完全沒(méi)問(wèn)題的 . 因?yàn)?/span> synchronized 是可重入鎖 .

static class Counter {
 ? ?public int count = 0;
 ? ?synchronized void increase() {
 ? ? ? ?count++;
 ? }
 ? ?synchronized void increase2() {
 ? ? ? ?increase();
 ? }
}

在可重入鎖的內(nèi)部 , 包含了 " 線程持有者 " 和 " 計(jì)數(shù)器 " 兩個(gè)信息 .

如果某個(gè)線程加鎖的時(shí)候, 發(fā)現(xiàn)鎖已經(jīng)被人占用, 但是恰好占用的正是自己, 那么仍然可以繼續(xù)獲取到鎖, 并讓計(jì)數(shù)器自增.
解鎖的時(shí)候計(jì)數(shù)器遞減為 0 的時(shí)候, 才真正釋放鎖. (才能被別的線程獲取到)

? ? synchronized 使用示例

synchronized 本質(zhì)上要修改指定對(duì)象的 " 對(duì)象頭 ". 從使用角度來(lái)看 , synchronized 也勢(shì)必要搭配一個(gè)具體的對(duì)象來(lái)使用.

1) 直接修飾普通方法 : 鎖的 SynchronizedDemo 對(duì)象

public class SynchronizedDemo {
 ? ?public synchronized void methond() {
 ? }
}

2) 修飾靜態(tài)方法 : 鎖的 SynchronizedDemo 類的對(duì)象

public class SynchronizedDemo {
 ? ?public synchronized static void method() {
 ? }
}

3) 修飾代碼塊 : 明確指定鎖哪個(gè)對(duì)象

鎖當(dāng)前對(duì)象

public class SynchronizedDemo {
 ? ?public void method() {
 ? ? ? ?synchronized (this) {
 ? ? ? ? ? ?
 ? ? ? }
 ? }
}

鎖類對(duì)象

public class SynchronizedDemo {
 ? ?public void method() {
 ? ? ? ?synchronized (SynchronizedDemo.class) {
 ? ? ? }
 ? }
}

? ? Java 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的線程安全類

Java 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中很多都是線程不安全的 . 這些類可能會(huì)涉及到多線程修改共享數(shù)據(jù) , 又沒(méi)有任何措施 .

ArrayList
LinkedList
HashMap
TreeMap
HashSet
TreeSet
StringBuilder

但是還有一些是線程安全的 . 使用了一些鎖機(jī)制來(lái)控制 .

Vector (不推薦使用)
HashTable (不推薦使用)
ConcurrentHashMap
StringBuffer

StringBuffer 的核心方法都帶有 synchronized

還有的雖然沒(méi)有加鎖 , 但是不涉及 " 修改 ", 仍然是線程安全的

String

volatile 關(guān)鍵字

? ? volatile 能保證內(nèi)存可見(jiàn)性

volatile 修飾的變量 , 能夠保證 " 內(nèi)存可見(jiàn)性 ".

代碼在寫入 volatile 修飾的變量的時(shí)候 ,

改變線程工作內(nèi)存中volatile變量副本的值
將改變后的副本的值從工作內(nèi)存刷新到主內(nèi)存

代碼在讀取 volatile 修飾的變量的時(shí)候 ,

從主內(nèi)存中讀取volatile變量的最新值到線程的工作內(nèi)存中
從工作內(nèi)存中讀取volatile變量的副本

前面我們討論內(nèi)存可見(jiàn)性時(shí)說(shuō)了 , 直接訪問(wèn)工作內(nèi)存 ( 實(shí)際是 CPU 的寄存器或者 CPU 的緩存 ), 速度非常快, 但是可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致的情況 .

加上 volatile , 強(qiáng)制讀寫內(nèi)存 . 速度是慢了 , 但是數(shù)據(jù)變的更準(zhǔn)確了 .

代碼示例

在這個(gè)代碼中

創(chuàng)建兩個(gè)線程 t1 和 t2
t1 中包含一個(gè)循環(huán), 這個(gè)循環(huán)以 flag == 0 為循環(huán)條件.
t2 中從鍵盤讀入一個(gè)整數(shù), 并把這個(gè)整數(shù)賦值給 flag.
預(yù)期當(dāng)用戶輸入非 0 的值的時(shí)候, t1 線程結(jié)束.

static class Counter {
 ? ?public int flag = 0;
}
public static void main(String[] args) {
 ? ?Counter counter = new Counter();
 ? ?Thread t1 = new Thread(() -> {
 ? ? ? ?while (counter.flag == 0) {
 ? ? ? ? ? ?// do nothing
 ? ? ? }
 ? ? ? ?System.out.println("循環(huán)結(jié)束!");
 ? });
 ? ?Thread t2 = new Thread(() -> {
 ? ? ? ?Scanner scanner = new Scanner(System.in);
 ? ? ? ?System.out.println("輸入一個(gè)整數(shù):");
 ? ? ? ?counter.flag = scanner.nextInt();
 ? });
 ? ?t1.start();
 ? ?t2.start();
}
// 執(zhí)行效果
// 當(dāng)用戶輸入非0值時(shí), t1 線程循環(huán)不會(huì)結(jié)束. (這顯然是一個(gè) bug)

t1 讀的是自己工作內(nèi)存中的內(nèi)容 .

當(dāng) t2 對(duì) flag 變量進(jìn)行修改 , 此時(shí) t1 感知不到 flag 的變化 .

如果給 flag 加上 volatile

static class Counter {
 ? ?public volatile int flag = 0;
}
// 執(zhí)行效果
// 當(dāng)用戶輸入非0值時(shí), t1 線程循環(huán)能夠立即結(jié)束.

? ? volatile 不保證原子性

volatile 和 synchronized 有著本質(zhì)的區(qū)別 . synchronized 能夠保證原子性 , volatile 保證的是內(nèi)存可見(jiàn)性.

代碼示例

這個(gè)是最初的演示線程安全的代碼 .

給 increase 方法去掉 synchronized
給 count 加上 volatile 關(guān)鍵字.

static class Counter {
 ? ?volatile public int count = 0;
 ? ?void increase() {
 ? ? ? ?count++;
 ? }
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 ? ?final Counter counter = new Counter();
 ? ?Thread t1 = new Thread(() -> {
 ? ? ? ?for (int i = 0; i < 50000; i++) {
 ? ? ? ? ? ?counter.increase();
 ? ? ? }
 ? });
 ? ?Thread t2 = new Thread(() -> {
 ? ? ? ?for (int i = 0; i < 50000; i++) {
 ? ? ? ? ? ?counter.increase();
 ? ? ? }
 ? });
 ? ?t1.start();
 ? ?t2.start();
 ? ?t1.join();
 ? ?t2.join();
 ? ?System.out.println(counter.count);
}

此時(shí)可以看到 , 最終 count 的值仍然無(wú)法保證是 100000.

? ? synchronized 也能保證內(nèi)存可見(jiàn)性

synchronized 既能保證原子性 , 也能保證內(nèi)存可見(jiàn)性 .

對(duì)上面的代碼進(jìn)行調(diào)整 :

去掉 flag 的 volatile
給 t1 的循環(huán)內(nèi)部加上 synchronized, 并借助 counter 對(duì)象加鎖.

static class Counter {
 ? ?public int flag = 0;
}
public static void main(String[] args) {
 ? ?Counter counter = new Counter();
 ? ?Thread t1 = new Thread(() -> {
 ? ? ? ?while (true) {
 ? ? ? ? ? ?synchronized (counter) {
 ? ? ? ? ? ? ? ?if (counter.flag != 0) {
 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?break;
 ? ? ? ? ? ? ? }
 ? ? ? ? ? }
 ? ? ? ? ? ?// do nothing
 ? ? ? }
 ? ? ? ?System.out.println("循環(huán)結(jié)束!");
 ? });
 ? ?Thread t2 = new Thread(() -> {
 ? ? ? ?Scanner scanner = new Scanner(System.in);
 ? ? ? ?System.out.println("輸入一個(gè)整數(shù):");
 ? ? ? ?counter.flag = scanner.nextInt();
 ? });
 ? ?t1.start();
 ? ?t2.start();
}

到了這里，關(guān)于【多線程】線程安全問(wèn)題原因與解決方案的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！