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线程安全（JAVA）

xiaoxingxing

线程安全对于我们编写多线程代码是非常重要的。

什么是线程安全？

在我们平时的代码中有些代码在单线程程序中可以正常执行，但如果同样的代码放在在多个线程中执行就会引发BUG，而这种现象我们一般称为 “线程安全问题” 或 “线程不安全”。
例如：使用两个线程对 count 变量进行自增操作，每个线程10000次。

private static int count;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(()->{
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            count++;
        }
    });
    Thread t2 = new Thread(()->{
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            count++;
        }
    });

    t1.start();
    t2.start();

    t1.join();
    t2.join();
    System.out.println(count);
}


结果可以看到和我们预期的并不相同，而且当我们多运行几次后，每次的结果还都不相同，这就是一个典型的 线程安全问题
为什么会出现上述情况呢？

  • 自增操作本质上其实分为三步：
    – 从内存把数据读到 CPU
    – 进行加一操作
    – 把新数据写回到 CPU

  • 两个线程是并发执行

所以就会引发下面这种状况(程序按照时间线从上往下执行)：

这里只是简单画了六种，由于线程的调度是无序的所以这里会有无数种情况，但是在这无数种情况中，只有当两个线程的调度每次都满足前两种情况才不会发生BUG。

引发线程安全的原因

一般引发线程安全都有以下原因：

  1. 操作系统中线程的调度是随机的（抢占式执行，罪魁祸首）
  2. 多个线程针对同一个变量进行修改
  3. 修改操作不是原子的
  4. 内存可见性问题
  5. 指令重排序问题

想要解决线程安全问题就需要从上面这几点出发，由于我们上述的代码不涉及4和5所以无需考虑它们，而第一点是系统原因是客观存在的无法更改。

我们此时有两种解决方法：

  • 将这个代码改为单线程（解决多个线程针对同一个变量进行修改的问题）；
  • 让该自增操作变为原子的（解决修改操作不是原子的问题）

这两种方法都可以解决此代码的线程安全问题，第一种很好实现，那么我们该怎样让这个自增操作变为原子的呢？加锁！

synchronized 关键字（监视器锁）

synchronized 关键字是JAVA提供的一种常用的加锁工具。

注：

  • synchronized关键字在使用时需要搭配()和{};
  • 程序执行进入 { 加锁 离开 } 解锁 ，{} 里面就是被加锁的代码块；
  • ()里面用来表示一个加锁的对象（这个对象是啥不重要，它的主要功能就是用来区分多个线程是否在竞争同一个锁）。

互斥性

如果多个线程对同一个线程尝试进行加锁操作就会产生锁竞争(其中一个线程就会发生阻塞等待)，如果是不同对象就不会产生锁竞争，仍然是并发执行。
我们先随便创建一个Object类型的对象，命名为lock，将count++放入{}中

private static int count;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Object lock = new Object();
    Thread t1 = new Thread(()->{
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            synchronized(lock) {
                count++;
            }
        }
    });
    Thread t2 = new Thread(()->{
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            synchronized(lock) {
                count++;
            }
        }
    });

    t1.start();
    t2.start();

    t1.join();
    t2.join();
    System.out.println(count);
}


由于我们对count++加了锁所以线程t1和t2就会在执行过程中相互影响。
当t1线程在执行++操作时，如果t2线程也想执行++操作就会发生阻塞等待，当t1线程执行完++操作出了 } 后会解锁，此时 t2 才会继续向下执行。

此时这个程序的执行顺序就只会是这类正确的类型：

synchronized关键字除了可以修饰代码块之外，还可以修饰实例方法 和 静态方法。
例如：

//synchronized修饰静态方法
synchronized public static void countAdd(){
    count++;
}

上述代码就相当于：

//Test.class是当前类的类对象
public static void countAdd(){
    synchronized (Test.class) {
        count++;
    }
}

//synchronized修饰实例方法
synchronized public void countAdd(){
    count++;
}

上述代码就相当于：

public static void countAdd(){
    synchronized (this) {
        count++;
    }
}

synchronized所使用的锁存在于对象头中。

  • 对象头：JAVA中一个对象所对应的存储空间中除了你自己定义的一些属性外，还存在一些自带的属性，而这些属性就是对象头。(对象头中就存在一个属性用来描述该对象是否加锁)

可重入性

在实际开发中可能会存在如下的代码

synchronized(lock) {//1
	//此处执行一些工作……
    synchronized(lock) {//2
	//此处执行一些工作……
    }//3
}//4

当我们的代码执行到 1 时假设此时可以获取到该锁，可是当执行到 2 时因为 lock 此时已经处于处于加锁状态了，所以理论上此时应该进入阻塞等待状态。
但是此时代码就会出现死锁（此时 2 处想要获取锁继续向下执行，就需要 1 处将锁释放，可是 1 处释放锁就需要执行到 4 处）。
所以为了解决上述问题synchronized被设计成了可重入锁，即在加锁时让该对象记录下当前是哪个线程获取的锁，后续如果该线程再次对该对象进行加锁就直接加锁成功。
锁对象中不光记录了获取锁的对象，还利用计数器记录了该线程获取该锁的次数。以上述代码为例当代码执行到1和2时计数器分别加一，执行到3和4时计数器分别减一，但执行完4计数器刚好减到零此时才会真正的将锁释放。

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