JavaEE 第4节线程安全问题

小贴士：

本节题目所述的主题其实非常的庞大，如果要细讲起来，一篇博客远远不够，本篇博客只会每个方面的内容做一个简要描述，详细的内容在后续同专栏博客中都会涉及到的，如果有需要可以一步到本专栏的其他博客。

正文开始：

一、什么线程安全问题？

示例演示：

这里用一个直观的代码来展示一个经典的线程安全问题：

public class demo1 {
    public static int count = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                count++;
            }
        });


        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                count++;
            }
        });

        //分别通过两个线程对count++

        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();//join方法的作用是主线程运行到这了，先等待t1线程结束，在回来运行主线程。
        t2.join();//t2线程同理

        System.out.println("count="+count);//输出最后的count值
    }
}

按照正常的逻辑，count值因该是10000，可是：

很奇怪😕

这实际上就是出现了线程安全问题。

是什么原因导致这些问题的呢？

我们接下来将会详细讲解。

二、造成线程安全问题的主要原因

主要原因：

1、操作系统对线程的调度，在程序运行角度看是“随机的”（抢占式执行）

2、代码结构，即多个线程同时修改同一个变量。

3、修改变量这个操作不是原子性*的。

4、指令重排列（Instruction Reordering，后序章节详细讲解）

5、内存可见性（Memory Visibility，后续章节详细讲解）

6、线程饿死（Thread Starvation，后续章节详细讲解）

7、死锁（Deadlock，后序章节详细讲解）

注:
原子性*的意思是对于一个操作，结果只能是做了和没做两种状态，不能出现第三种状态。

刚才示例出现线程安全问题的原因就是1、2、3点导致的：

在代码中我们知道t1和t2两个线程时并发执行的，并且都对count变量进行++操作。

而在CPU的视角看，count++操作要分成三步（不是原子的）：

1）load：把count对应的内存数据写入寄存器。

2）add：逻辑运算单元对数据进行++操作。

3）save：把新的值重新写入count变量的内存。

t1和t2两个线程并发执行，都在不断按照上面这三步指令执行，在系统“随机”调度的过程中就很可能出现这样一种情况：

某一时刻，t1和t2同时load了count的内存数据，并且两个线程load的count值时一样的，然后他们分别对count++,最后写入内存（save）。会过头来我们发现，在这两个线程都运行完一次后，count只进行了一次++操作！

在深入问大家一个问题，程序中的count有没有可能小于5000呢？

答案是可能的。

可能的情况举例：

t1和t2都只能对count++5000次，倘若又这样一个情况，t1刚开始被调度，读取到的count值是0，然后由于抢占式执行，t2开始被调度并且被多次连续调度，导致最后t2线程执行了4999次，之后t1又开始被调度把count=0写回原来的内存（形成了覆盖），然后t2又被调度了把count=0读取到逻辑运算单元，这是又由于抢占式执行，t2停止运作，t1开始被连续调度执行了5000，count被修改成了5000。

现在只剩下t2还没有执行了，t2把count=0(在t2的逻辑运算单元上)++，对count进行覆写，count竟然还变成了1！

三、线程安全问题的解决办法

1、给线程加锁

像刚才的示例，我们可以通过设置多个变量的方式进行解决：

public class demo1 {
    public static int count = 0;
    public static int count1=0;
    public static int count2=0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                count1++;
            }
        });


        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                count2++;
            }
        });
        //分别通过两个线程对count++
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();

        count=count1+count2;
        System.out.println("count="+count);
    }
}

不过这不是JAVA解决线程安全问题的主流方式，了解即可。

在JAVA中，主流解决线程安全问题的方式是对线程进行“加锁”的操作。

什么是锁？

刚才讲解线程安全问题的原因时，我们提到了原子性、修改同一个变量这两个关键字，这里所说的锁实际上就是把一些非原子性的程序“锁”起来，让它变成原子性的，这样线程安全问题就被解决了。

比如刚才的t1和t2线程，都对count进行++操作。但是由于系统的“随机”调度，两个线程的load、add、save操作是相互穿插进行的，数据的修改很可能会出错。
而现在把[load、add、save]这个非原子性的++操作进行“上锁”，保证要么++操作成功，要么什么都没有操作，既++操作变成了原子性的。
通过锁的这种操作，两个线程的【load、add、save】🔒就不可能穿插执行了，因为必须完成【】🔒内的操作，才能去执行另一个线程的任务。
这样线程安全问题就得到了解决。

synchronized关键字（加锁的工具）

synchronized基本用法：

Java提供了 synchronized 关键字 (监视器锁-monitor lock)来完成加锁操作。

接下来通过synchronized关键字，解决上面的线程安全问题：

public class demo1 {
    public static int count = 0;
    public static Object object1 = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                synchronized (object1) {//括号内填写一个实例对象，任何类性的对象都是可以的！！
                    count++;
                }
            }
        });


        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {//括号内填写一个实例对象，任何类性的对象都是可以的！！
                synchronized (object1) {//代码块中填写，需要原子化的程序。
                    count++;
                }
            }
        });
        //分别通过两个线程对count++
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("count=" + count);
    }
}

此时运行结果count=10000

synchronized除了上述写法，还可以通过修饰静态方法或者成员方法的方式，实现加锁：

public class Threads {
    static int count = 0;

    //实现加锁
    private synchronized static void add() {
        count++;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread thread1=new Thread(()->{
            for (int i = 0; i <5000 ; i++) {
                add();
            }
        });
        Thread thread2=new Thread(()->{
            for (int i = 0; i <5000 ; i++) {
                add();
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();
        Thread.sleep(1000);//这样可以极大增大 先让thread1和thread2两个线程先执行完，在打印count的概率
        System.out.println(count);
    }
}

成员方法是同理的，这里就不做过多演示了。

synchronized的一些基本特性：

1）互斥(Mutual Exclusion)

进入synchronized代码块内，相当于上锁。
退出synchronized代码块，相当于解锁。
对于同一个对象，如果一个线程上了锁，那么其他线程必须等待这个线程解锁，才能运行：

锁外其他的线程就处在BLOCK的等待状态。

图中的同一个对象是什么意思？

在刚才的代码演示中，t1和t2两个线程的synchronized括号里，填写的都是同一个对象。

如果两个线程填写不同的对象，跟没加锁没有区别，最后的count大概率也不可能等于一万。

也就是说，对于同一个对象加锁，锁对于一个线程来说才是有效的，或者说是存在的。

比如，我们对上面的代码进行简单的修改，t1线程和t2线程两个锁对象不同：

public class demo1 {
    public static int count = 0;
    public static Object object1 = new Object();
    public static Object object2 = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                synchronized (object1) {
                    count++;
                }
            }
        });


        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                synchronized (object2) {
                    count++;
                }
            }
        });
        //分别通过两个线程对count++
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("count=" + count);
    }
}

其中一个运行结果：

2）可重入(Reentrant)

如果重复对同一个线程进行这种加锁会怎么样：

  Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                synchronized (object1) {//第一次锁了
                    synchronized(object1){//第二次我在锁？
                        count++;
                    }
                }
                
            }
        });

我们来慢慢分析：

第一次加锁：

本来t1线程可以安全的上侧所的，但是他还不放心，于是synchronized代码块里，又上了一次锁：

所以根据上面的逻辑，重复对一个线程针对同一个对象加锁是会出现锁被“焊死”的情况的（也就是死锁）

这种重复锁导致的死锁，只会出现在C++\Python等其他编程语言中，Java不会，因为synchronized关键字会对这个情况进行判断，不会对相同对象的相同线程进行重复上锁。

具体代码举例：

//先清楚标志位,然后抛出异常
public class Threads {
    static int count = 0;

    //实现加锁
    private synchronized static void add() {
        count++;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread=new Thread(()->{
            synchronized (Threads.class){
                synchronized (Threads.class){
                    System.out.println("在第二个锁的内部");
                }
            }
        });
        Thread.sleep(1000);
        thread.start();
        thread.join();

        System.out.println("thread线程结束");

    }

}

以上代码在逻辑上是错误的，因为对同一个对象同一个线程重复上锁了，但是程序并没有卡主：