JAVA线程中的安全性问题详解

news2024/9/26 1:22:46

多线程很难掌握，稍不注意，就容易使程序崩溃。我们以在路上开车为例：

在一个单向行驶的道路上，每辆汽车都遵守交通规则，这时候整体通行是正常的。『单向车道』意味着『一个线程』，『多辆车』意味着『多个 job 任务』。

单线程顺利同行

单线程顺利同行：

如果需要提升车辆的同行效率，一般的做法就是扩展车道，对应程序来说就是『加线程池』，增加线程数。这样在同一时间内，通行的车辆数远远大于单车道。

多线程顺利同行

多线程顺利同行：

然而车道一旦多起来，『加塞』的场景就会越来越多，出现碰撞后也会影响整条马路的通行效率。这么一对比下来『多车道』就比『单车道』慢多了。

多线程故障

多线程故障：

防止汽车频繁变道加塞可以在车道间增加『护栏』，那在程序的世界里该怎么做呢？

多线程遇到的问题归纳起来就三类：『线程安全问题』、『活跃性问题』、『性能问题』。

线程安全问题

原子性

举一个银行转账的例子，比如从账户 A 向账户 B 转 1000 元，那么必然包括 2 个操作：从账户 A 减去 1000 元，往账户 B 加上 1000 元，两个操作都成功才意味着一次转账最终成功。

试想一下，如果这两个操作不具备原子性，从 A 的账户扣减了 1000 元之后，操作突然终止了，账户 B 没有增加 1000 元，那问题就大了。

银行转账有两个步骤，出现意外后导致转账失败，说明没有原子性。

原子性：即一个操作或者多个操作，要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。
原子操作：即不会被线程调度机制打断的操作，没有上下文切换。

在并发编程中很多操作都不是原子操作，出个小题目：

int i = 0; // 操作1
i++;   // 操作2
int j = i; // 操作3
i = i + 1; // 操作4

上面这四个操作中哪些是原子操作，哪些不是呢？

有些小伙伴可能认为这些都是原子操作，其实只有操作 1 是原子操作。

操作 1：这是原子操作，因为它是一个单一的、不可分割的步骤。
操作 2：这不是原子操作。这实际上是一个 "read-modify-write" 操作，它包括了读取 i 的值，增加 i，然后写回 i。
操作 3：这是原子操作，因为它是一个单一的、不可分割的步骤。
操作 4：这不是原子操作。和 i++ 一样，这也是一个 "read-modify-write" 操作。

在单线程环境下上述四个操作都不会出现问题，但是在多线程环境下，如果不加锁的话，可能会得到意料之外的值。我们来测试一下，看看输出结果。

public class YuanziDeo {
    private static int i = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int numThreads = 2;
        int numIncrementsPerThread = 100000;

        Thread[] threads = new Thread[numThreads];

        for (int j = 0; j < numThreads; j++) {
            threads[j] = new Thread(() -> {
                for (int k = 0; k < numIncrementsPerThread; k++) {
                    i++;
                }
            });
            threads[j].start();
        }

        for (Thread thread : threads) {
            thread.join();
        }

        System.out.println("Final value of i = " + i);
        System.out.println("Expected value = " + (numThreads * numIncrementsPerThread));
    }
}

输出如下：

Final value of i = 102249
Expected value = 200000

i 期望的值为 200000，但实际跑出来的是 102249，这证明 i++ 不是一个原子操作，对吧？

原因解析：

数据竞争，i++操作不是原子，这意味着在i++执行的过程中，i可能会被其他的线程读取和修改。

在没有同步的情况下，线程A可能读取了i的值，接着两个线程都增加了1.并把结果写回i，这样实际上只进行了一次递增的操作。

可见性

假如有两个线程，线程 1 执行 update 方法将 i 赋值为 100，一般情况下线程 1 会在自己的工作内存中完成赋值操作，但不会及时将新值刷新到主内存中。

这个时候线程 2 执行 get 方法，首先会从主内存中读取 i 的值，然后加载到自己的工作内存中，此时读到 i 的值仍然是 50，再将 50 赋值给 j，最后返回 j 的值就是 50 了。原本期望返回 100，结果返回 50，这就是可见性问题，线程 1 对变量 i 进行了修改，线程 2 并没有立即看到 i 的新值。

可见性：当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。

如上图，每个线程都有属于自己的工作内存，工作内存和主内存间需要通过 store 和 load 等进行交互。

为了解决多线程的可见性问题，Java 提供了volatile这个关键字。当一个共享变量被 volatile 修饰时，它会保证修改的值立即更新到主存当中，这样的话，当有其他线程需要读取时，就会从内存中读到新值。普通的共享变量不能保证可见性，因为变量被修改后什么时候刷回到主存是不确定的，因此另外一个线程读到的可能就是旧值。

当然 Java 的锁机制如 synchronized 和 lock 也是可以保证可见性的。