java有关多线程性安全问题的原理讲解

程序员文章站 2022-05-09 09:29:35

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1.什么是线程安全问题？

从某个线程开始访问到访问结束的整个过程，如果有一个访问对象被其他线程修改，那么对于当前线程而言就发生了线程安全问题；如果在整个访问过程中，无一对象被其他线程修改，就是线程安全的。

2.线程安全问题产生的根本原因

首先是多线程环境，即同时存在有多个操作者，单线程环境不存在线程安全问题。在单线程环境下，任何操作包括修改操作都是操作者自己发出的，操作者发出操作时不仅有明确的目的，而且意识到操作的影响。
多个操作者（线程）必须操作同一个对象，只有多个操作者同时操作一个对象，行为的影响才能立即传递到其他操作者。
多个操作者（线程）对同一对象的操作必须包含修改操作，共同读取不存在线程安全问题，因为对象不被修改，未发生变化，不能产生影响。

综上可知，线程安全问题产生的根本原因是共享数据存在被并发修改的可能，即一个线程读取时，允许另一个线程修改。

3.线程安全问题解决思路

根据线程安全问题产生的条件，解决线程安全问题的思路是消除产生线程安全问题的环境：

消除共享数据：成员变量与静态变量多线程共享，将这些全局变量转化为局部变量，局部变量存放在栈，线程间不共享，就不存在线程安全问题产生的环境了。消除共享数据的不足：如果需要一个对象采集各个线程的信息，或者在线程间传递信息，消除了共享对象就无法实现此目的。
使用线程同步机制：给读写操作同时加锁，使得同时只有一个线程可以访问共享数据。如果单单给写操作加锁，同时只有一个线程可以执行写操作，而读操作不受限制，允许多线程并发读取，这时就可能出现不可重复读的情况，如一个持续时间比较长的读线程，相隔较长时间读取数组同一索引位置的数据，正好在这两次读取的时间内，一个线程修改了该索引处的数据，造成该线程从同一索引处前后读取的数据不一致。是同时给读写加锁，还是只给写加锁，根据具体需求而定。同步机制的缺点是降低了程序的吞吐量。
建立副本：使用ThreadLocal为每一个线程建立一个变量的副本，各个线程间独立操作，互不影响。该方式本质上是消除共享数据思想的一种实现。

4.可见性

每个线程内部都保有共享变量的副本，当一个线程更新了这个共享变量，另一个线程可能看的到，可能看不到，这就是可见性问题，以下面的代码为例：

public class NoVisibility {
     private static boolean ready;
     private static int number;
     public static class ReadThread extends Thread {
            public void run() {
                 while(!ready )
                     Thread. yield();
                System. out.println(number);
           }
     }
     public static void main(String [] args) {
            new ReadThread().start();
            number = 42;
            ready = true ;
     }
}

　　以上代码可能输出0或者什么也不能输出。为什么会什么也不能输出呢？因为我们在主线程中把ready置为true，但是ReadThread中却不一定能够读到我们设置的ready值，所以在ReadThread中Thread.yield()将一直执行下去。为什么可能为0呢？如果ReadThread能够读到我们的值，可能先读到ready值为true，还未读取更新number值，ReadThread就把保有的number值输出了，也就是0。

注意，上面的所有内容都是假设，在缺乏同步的情况下，ReadThread和主线程会如何交互，我们是无法预期的，以上两种情况只是两种可能性。那么如何避免这种问题呢？很简单，只要有数据在多个线程之间共享，就使用正确的同步。

4.1、加锁与可见性

内置锁可以用于确保某个线程以一种可预测的方式查看另一个线程的执行结果，当线程A进入某同步代码块时，线程B随后进入由同一个锁保护的同步代码块，此时，线程B执行由锁保护的同步代码块时，可以看到线程A之前在同一同步代码块中的所有操作结果，如果没有同步，那么就无法实现上述保证。

加锁的含义不仅仅局限于互斥行为，还包括内存可见性。为了确保所有线程都能看到共享变量的最新值，所有执行读操作或者写操作的线程都必须在同一个锁上同步。

4.2、volatile变量

volatile是一种比synchronized关键字轻量级的同步机制，volatile关键字可以确保变量的更新操作通知到其他线程。

下面是volatile的典型用法：

volatile boolean asleep;
...
while(!asleep)
   doSomeThing();

　　加锁机制既可以确保可见性，又可以确保原子性，而volatile变量只能确保可见性。

5、总结

编写线程安全的代码，其核心在于要对状态访问操作进行管理。编写线程安全的代码时，有两个关注点，一个是原子性问题，一个是可见性问题，要尽量避免竞态条件错误。

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