JavaWeb语法三：线程不安全问题的原因和解决方案

news2024/10/1 17:20:12

1.线程的状态

2.线程不安全的原因

2.1：原子性

2.2：可见性

2.3：有序性

3.解决线程不安全问题

3.1：synchronized

3.1.1：互斥

3.1.2：可重入

3.2：volatile关键字

3.3：wait和notify

3.3.1：wait（）方法

3.3.2:notify（）

3.3.3notifyAll()方法

4.wait()和sleep()方法的对比(面试题）

前言：

我们如果要了解线程安全的话，首先要明白线程的状态，正如常言所说：知己知彼，方能，百战不殆。

1.线程的状态

1.new:创建了对象但未被调用start(),内核里还没有创建PCB。就好像安排了工作，还未开始行动。

2.RUNNABLE：可以工作的，又可以分成正在工作中（正在cpu上执行）和即将开始工作的。

3.TERMINATED：工作完成了，pcb执行完毕，但Thread对象还在。

我们常说阻塞状态，接下来，我们就要细说这个阻塞状态。

4.BLOCKED：排队等着其他事情的完成 ( 这是因为加锁的原因造成的。)

5.WAITING:排队等着其他事情的完成.(这是因为 wait ，join造成的）。

6.TIME_WAITING：排队等着其他事情的完成.(这是因为 sleep造成的）

2.线程不安全的原因

既然要谈到线程不安全的原因，我们首先要明白什么是线程安全，如果代码在多线程环境下运行的结果是符合我们预期的，即使在单线程环境应该的结果，则说这个程序是线程安全的。

2.1：原子性

原子性是指一个操作是不可中断的，那么全部执行成功，那么全部执行失败。即使在多个线程一起执行的时候，一个操作一旦开始，就不会被其他线程中断。

class count{
    public int num=0;
        public void add () {
                num++; 
        }
}
public class ThreadDemo1 {
    //原子性
    public static void main(String[] args) {
        count count=new count();
        Thread t=new Thread(()->{
            for (int i = 0; i <1000 ; i++) {
                count.add();
            }
        });
        Thread t1=new Thread(()->{
            for (int i = 0; i <1000 ; i++) {
                count.add();
            }
        });
        t.start();
        t1.start();
        try {
            t.join();
            t1.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        System.out.println(count.num);
    }
}

看上面的代码，你会下意识认为count最后的值2000吗？这不是的哟，这是一个线程不安全的代码。我出来的结果是1515但每一次的结果都不一样。这是为啥勒？

2.2：可见性

一个线程修改了公共变量的值，其他线程使用这个公共变量的时候，能够立即得到这个通知并修改了这个变量。

class  Counter{
    public int flag=0;
}
public class ThreadDemo2 {
    public static int num = 0;
    public static void main(String[] args) {
        Counter counter=new Counter();
        Thread t = new Thread(() -> {
           while(counter.flag==0){

           }
            System.out.println("循环结束");
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            Scanner scan=new Scanner(System.in);
            System.out.println("请输入一个数字来修改flag值");
            counter.flag=scan.nextInt();
        });
        t.start();
        t2.start();
    }
}

当t2线程修改了flag的值，首先是在自己的CPU内修改，之后再会修改内存中flag的值。之后t线程会因为编译器优化，认为flag的值不会轻易改变的，所以每次都看t线程的CPU中的flag值是否会发生变化，而不是比较内存中flag的值。编译器这种优化是为了提高速度。

2.3：有序性

有序性：代码重排序的本质就是编译器的优化。在单线程中，就是有可能发生顺序调整，但是多线程的代码执行复杂程度更高，编译器很难在编译阶段对代码执行效果进行预测。因此激进的重排序很容易导致优化后的逻辑和之前不一样。

3.解决线程不安全问题

3.1：synchronized

为了解决原子性问题，提出了synchronized（加锁）

3.1.1：互斥

synchronized会起到互斥效果，莫个线程执行到莫个对象的synchronized中时，其他线程如果也执行到同一个对象synchronized就会阻塞等待。

synchronized如果修饰的普通方法，锁对象就调用者本身。

如果修饰静态方法，锁对象就是这个类对象。

如果修饰的代码块，就是自己收到设置的锁对象。

进入synchronized修饰的代码块，相当于加锁。

退出synchronized修饰的代码块，相当于解锁。

sychrnoized是不需要手动解锁的。

3.1.2：可重入

这个意思就是说一个线程对莫个对象或者方法加锁了，但还没有解锁，又一次进行加锁，不会死锁。

可以举一个例子，就是你给一个女生表白了，之后你们在一起了，但你再表白一次，不会有啥不好是的。

3.2：volatile关键字

volatile能保证内存可见性。

代码在写入volatile修饰的变量的时候：

会改变线程内存中volatile变量副本的值，将改变后的副本的值从该线程的cpu刷新到内存中。

代码在读入volatile修饰的变量的时候：

从内存中读取volatile变量的最新值到该线程的cpu中，从cpu中读取volatile变量的副本。

这个代码就是解决上面可见性代码。

3.3：wait和notify

这个是解决代码的有序性。

3.3.1：wait（）方法

1.使当前执行代码进行等待（把线程放到等待队列中）

2.释放当前的锁，进行阻塞等待。

3.满足一定条件时被唤醒，重新尝试获取锁

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object lock=new Object();
        Thread t=new Thread(()->{
            synchronized (lock){
                System.out.println("我这个部分已经干完了");
                System.out.println("我只等你一个小时");
                try {
                    lock.wait(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
        });
        t.start();
        Thread.sleep(1000);//为了让t 线程先运行
        System.out.println("别急，我正在努力赶");
    }
}

wait(参数）是毫秒，wait等待时间超时的时候，它会自动结束等待条件。

还有一种让它就是结束等待，就是有其他线程调用该对象的notify()方法。

3.3.2:notify（）

随机唤醒一个处于阻塞队列的线程（是使用同一个锁对象的线程）。

在notify()方法后，当前线程不会马上释放该对象的锁，要等到执行notify()方法的线程将程序执行完，也就是退出同步代码块之后才会释放对象锁。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object lock=new Object();
        Thread t1=new Thread(()->{
            synchronized (lock) {
                System.out.println("你下班了吗？你下班了，我就来上班");
                try {
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                System.out.println("那我来上班了");
            }
        });
        Thread t2=new Thread(()->{
            synchronized (lock){
                System.out.println("我下班了");
                lock.notify();
            }
        });
        t1.start();
        Thread.sleep(200);
        t2.start();
    }

这里为啥要t1线程启动之后，等待200毫秒，再启动线程t2了。接下来到了故事小课堂。

wait()方法就相当于一个坐校车上学的学生。notify()方法就相当于校车。如果notify()方法先启动，wait()方法后启动，就相当于校车来了，发现这个没有学生到就走了。但等到学生到的时候，就木有校车来接她。她就会一直在那里等校车来。(这就相当于这个线程一直处于阻塞队列，一直等别人来唤醒。）这样会出现线程不安全。