线程的安全性 - 并发基础篇

做者：汤圆

我的博客：javalover.cc

前言

官人们好啊，我是汤圆，今天给你们带来的是《线程的安全性 - 并发基础篇》，但愿有所帮助，谢谢

文章纯属原创，我的总结不免有差错，若是有，麻烦在评论区回复或后台私信，谢啦

简介

当多个线程访问某个类时，这个类始终都能表现出正确的行为，那么就说这个类是线程安全的

目录

此次分三步走：关于相关知识点，放在文末的脑图里了，你们想看结论的，可直接下拉观看哦

1. 建立一个线程安全的类
2. 建立一个线程不安全的类：有一个状态变量
3. 建立一个线程不安全的类：有多个状态变量

正文

线程的安全性主要是针对对象的状态（实例属性或静态属性）而言的，若是在多线程中，访问到的对象状态不一致（好比常见的自增属性），那么就是线程不安全的

下面咱们一步步来

先来个无状态类

第一步：无状态类

这里咱们写一个简单的线程安全类，简单到什么地步呢？以下所示

public class SafeDemo {

    public int sum(int n, int m){
        return n + m;
    }
}

就是这么简单，咱们说这个类是线程安全的

为啥安全呢？

由于这个类没有状态，即无状态类；

只有局部变量n,m，而这些局部变量是存在于栈中的，栈是每一个线程独有的，不跟其余线程共享，堆才共享

因此每一个线程操做sum时，对应的n,m只有本身可见，固然就安全了

好了，经过上面的例子，咱们知道了什么是线程安全类，那本节的内容就到此结束了，再见

上面的例子，咱们举了一个无状态类，接下来咱们添加一个状态试试

第二步：加一个状态变量

加一个状态变量（静态属性），代码以下

public class UnSafeDemo {

    static int a = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
				// 线程1
        new Thread(()-> {
            for(int j=0;j<100000;j++){
                a++;
            }
          
        }).start();
				// 线程2
        new Thread(()-> {
            for(int j=0;j<100000;j++){
                a++;
            }
        }).start();
				
        Thread.sleep(3000);
      	// 这里不是每次运行都会输出200,000
        System.out.println(a);
    }
}

上面咱们建立了两个线程，每一个线程都执行10万次的自增操做

可是由于自增不是原子操做，实际分三步：读-改-写

此时若是两个线程同时读到相同的值，则累加次数就会少一次

这种在并发编程中，因为不恰当的执行时序而出现不正确的结果的状况，叫作竞态条件

以下图所示：

指望的是正常执行，每一个线程交替执行

结果却有多是不正常的，以下

这时咱们就能够说，上面加的这个状态是不安全的，结果就是整个类也是不安全的

不安全的状态有二:

• 可变状态（变量）：非final修饰的变量

• 共享状态（变量）：非局部变量

像上面这个例子，状态就同时属于可变状态和共享状态

那要怎么确保安全:

1. 同步：synchronized、volatile、显式锁、原子变量（好比AtomicInteger）

2. 不可变变量：final（都不能改了，固然安全了）

3. 不共享变量：不在多线程中共享变量（即局部变量）

PS：代码的封装性越好，访问可变变量的代码块越少，越容易确保线程安全

这里的自增咱们就能够用同步中的原子变量来解决

关于原子变量的细节，后面章节再介绍，这里只须要知道，原子变量内部的操做是原子操做就能够了

修改后的代码以下：

public class SafeDemo {
    static final AtomicInteger a = new AtomicInteger(0);
//    static int a = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
				// 线程1
        new Thread(()-> {
            for(int j=0;j<100000;j++){
              	// 这里的自增是原子操做
                a.incrementAndGet();
            }
        }).start();
				// 线程2
        new Thread(()-> {
            for(int j=0;j<100000;j++){
              // 这里的自增是原子操做
                a.incrementAndGet();
            }
        }).start();

        Thread.sleep(3000);
        System.out.println(a.get());
    }
}

能够看到，加了AtomicInteger.incrementAndGet()方法，这个方法是原子操做

这时，无论怎么运行，都是输出200,000

第三步：加多个状态变量

上面咱们加了一个状态变量，能够用原子变量来保证线程安全

那若是是多个状态变量呢？此时就算用了原子变量也不行了

由于原子变量只是保证它内部是原子操做，可是当多个原子变量放到一块儿组合操做时，他们之间又存在竞态条件了，就又不是原子操做了

竞态条件：并发编程中，因为不恰当的执行时序而出现不正确的结果的状况，就是竞态条件（重复陈述ing，加深记忆）

代码以下：

public class UnSafeDemo2 {
    static final AtomicInteger a = new AtomicInteger(0);
    static final AtomicInteger b = new AtomicInteger(0);

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

        new Thread(()-> {
            for(int j=0;j<10000;j++){
                a.incrementAndGet();
                b.incrementAndGet();
                if(a.get()!=b.get()){
                    // 理想状态的话，不会运行到这里，由于a和b是一块儿自增的
                    // 可是大部分时候都是不正常的，由于a和b各自是原子操做，可是放到一块儿就不是原子操做了
                    System.out.println(1);
                }
            }
        }).start();

        new Thread(()-> {
            for(int j=0;j<10000;j++){
                a.incrementAndGet();
                b.incrementAndGet();
                if(a.get()!=b.get()){
                    // 理想状态的话，不会运行到这里，由于a和b是一块儿自增的
                    // 可是大部分时候都是不正常的，由于a和b各自是原子操做，可是放到一块儿就不是原子操做了
                    System.out.println(2);
                }
            }
        }).start();
    }
}

上面屡次运行，会发现基本上每次都会打印1和2，就是由于这两个线程之间存在竞态条件

那怎么解决呢？

上锁

代码以下：

public class UnSafeDemo2 {
    static final AtomicInteger a = new AtomicInteger(0);
    static final AtomicInteger b = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 单首创建一个对象，用来充当锁
        UnSafeDemo2 unSafeDemo2 = new UnSafeDemo2();
        new Thread(()-> {
            for(int j=0;j<10000;j++){
                // 这里加了锁
                synchronized (unSafeDemo2){
                    a.incrementAndGet();
                    b.incrementAndGet();
                    if(a.get()!=b.get()){
                        // 如今确定是理想状态，不会运行到这里
                        System.out.println(1);
                    }
                }
            }
        }).start();

        new Thread(()-> {
            for(int j=0;j<10000;j++){
                // 这里加了锁
                synchronized (unSafeDemo2){
                    a.incrementAndGet();
                    b.incrementAndGet();
                    if(a.get()!=b.get()){
                        // 如今确定是理想状态，不会运行到这里
                        System.out.println(2);
                    }
                }
            }
        }).start();
    }
}

这里用到的锁为内置锁，还有不少其余锁，这里就不展开了（后面章节再介绍）

这里要注意：同步代码必须上同一个锁才有用，好比上面的例子，两个线程都是上的unsafeDemo2这个锁

官人们能够试一下，一个上unsafeDemo2锁，一个上Object锁，看会输出啥

内置锁也叫监视器锁

特色：

• 互斥性：即一个线程持有锁，其余线程就要等待锁释放后才能够获取锁

• 可重入性：若是某个线程尝试去获取一个锁，而这个锁以前就是这个线程所持有的，那么这个线程就能够再次获取到锁

  • 好处：

    • 避免了死锁：好比一个子类继承父类的synchronized方法，并显示调用父类的synchronized方法，若是不可重入，那么在子类中获取的锁，调用子类的fun方法是没问题的，可是调用父类的fun方法时，会提示上了锁，从而被阻塞，此时就会死锁（本身持有锁，还有再去获取锁，可是又获取不到）

  • 缺点：

    • 跟状态有关的方法都须要上锁：操做麻烦，其实就是类的每一个方法都须要上锁，若是后面添加了一个方法，忘记加锁，那仍是有安全问题（好比被官人们遗弃的Vector）
    • 性能问题：整个方法都上锁，性能很低，尤为是一些耗时操做，好比网络IO这种容易阻塞的操做

  • 解决：

    • 缩小锁的范围
    • 将耗时长的操做（前提是操做与状态无关），放到同步以外的代码块

好了，差很少先这些吧，后面还有太多东西了，慢慢来吧。

毕竟咱们都一大把年纪了，身体要紧呐。

总结

懒了懒了，直接贴图了（敲的脑仁疼），图作的不是很好，不过应该能看懂，望见谅哈

参考内容：

• 《Java并发编程实战》
• 《实战Java高并发》

后记

最后，感谢你们的观看，谢谢

原创不易，期待官人们的三连哟