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目錄

1.?線程不安全問題

2. 線程不安全的原因

3. 解決線程不安全問題

1.?線程不安全問題

線程安全問題是多線程編程必須考慮的重要問題，也因為其難以理解與處理，故而程序員也嘗試發(fā)明更多的編程模型來處理并發(fā)編程，如多進程、多線程、actor、csp等等；

我們知道，操作系統(tǒng)調(diào)度線程是搶占式執(zhí)行，這樣的隨機性可能會導致程序執(zhí)行出現(xiàn)一些bug，如果由于這樣的調(diào)度的隨機性使得代碼出現(xiàn)了bug，則認為代碼是不安全的，如果沒有引入bug，則認為代碼是安全的；

線程不安全的典型案例：使用兩個線程對同一個整型變量進行自增操作，每個線程自增五萬次：

class Counter{

//保存兩個線程要自增的變量

public int count = 0;

public void increase(){

count++;

}

}

public class Demo1 {

private static Counter counter = new Counter();

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

Thread t1 = new Thread(()->{

for(int i=0;i<50000;i++){

counter.increase();

}

});

Thread t2 = new Thread(()->{

for(int i=0;i<50000;i++){

counter.increase();

}

});

t1.start();

t2.start();

//在main線程中打印兩個線程自增結(jié)束后得到的count結(jié)果

//t1、t2執(zhí)行結(jié)束后再打印count結(jié)果

t1.join();

t2.join();

System.out.println(counter.count);

}

}

運行三次，輸出結(jié)果與預期并不相符且多次運行多次不同：

? ??? ????

注：1.t1.join()與t2.join()誰先誰后均可：

線程是隨機調(diào)度的，t1、t2線程的結(jié)束前后是未知的，

如果t1先結(jié)束，則先令main線程等待t1結(jié)束，待t1結(jié)束后再令main線程等待t2結(jié)束；

如果t2先結(jié)束，仍先令main等待t1結(jié)束，t2結(jié)束了t1還未結(jié)束，main線程仍然在等待t1結(jié)束，等t1結(jié)束后，t2已經(jīng)結(jié)束了，則此時t2.jion()立即返回；

2.站在CPU角度來看，count++實際上是3個CPU指令：

第一步：將內(nèi)存中count值加載到CPU寄存器中；（load）

第二步：寄存器中的值將其+1；（add）

第三步：把寄存器中的值寫回到內(nèi)存的count中；（save）

由于搶占式執(zhí)行，兩個線程同時執(zhí)行這三個指令的時候順序上充滿了隨機性，只有當兩個線程的三條指令串型執(zhí)行的時候才會符合預期，只要三條指令出現(xiàn)交錯，就會出現(xiàn)錯誤，如：

2. 線程不安全的原因

（1）根本原因：線程是搶占式執(zhí)行，線程間的調(diào)度充滿隨機性；

（2）修改共享數(shù)據(jù)：多個線程對同一個變量進行修改操作，才會導致線程不安全問題；

當多個線程分別對不同的多個變量進行操作，或是多個線程對同一個變量進行讀操作，都不會導致線程不安全問題；

（3）操作的原子性問題：針對變量的操作不是原子性的，就會導致線程不安全問題，如上文示例中，自增操作其實是3條指令；

當操作是原子性的，如讀取變量的值就只對應一條機器指令，就不會導致線程不安全問題；

（4）內(nèi)存可見性問題：java編譯器的優(yōu)化操作使得在某些情況下線程之間出現(xiàn)信息不同步問題：

如線程t1一直在高速循環(huán)進行讀操作，線程t2不定時進行修改操作，此時由于t1的高速訪問可能無果，就會停止將數(shù)據(jù)從內(nèi)存中讀至寄存器中再進行讀取，而直接從寄存器中讀取，此時若t2線程進行修改操作，就會由于內(nèi)存可見性問題而使兩個線程信息不同步，出現(xiàn)安全問題，示例代碼如下：

import java.util.Scanner;

public class Demo2 {

private static int isQuit = 0;

public static void main(String[] args) {

Thread t = new Thread(()->{

while(0 == isQuit){

}

System.out.println("Thread t has finished.");

});

t.start();

Scanner scanner = new Scanner(System.in);

System.out.println("Please input the value of isQuit: ");

isQuit = scanner.nextInt();

System.out.println("Thread main has finished.");

}

}

輸出結(jié)果為：

并未輸出"Thread t has finished."說明t線程并未結(jié)束；?

（5）指令重排序問題：指令重排序也是編譯器優(yōu)化的一種操作，編譯器在某些情況下可能調(diào)整代碼的先后順序來提高程序的效率，單線程通常不會出現(xiàn)問題，但在多線程代碼中，可能就會誤判導致線程安全問題；

3. 解決線程不安全問題

對應上文的線程不安全問題原因，思考解決線程不安全問題的方法：

（1）線程調(diào)度的隨機性問題：無法從代碼層面進行改進的；

（2）多線程修改同一變量問題：部分情況下可調(diào)整代碼結(jié)構(gòu)，使不同線程操作不同變量；

（3）變量操作的原子性問題：加鎖操作將多個操作打包為一個原子性操作；

（4）內(nèi)存可見性問題：

① 使用synchronized關(guān)鍵字可以保證內(nèi)存可見性，被synchronied修飾的代碼塊，相當于手動禁止了編譯器的優(yōu)化；

② 使用volatile關(guān)鍵字可以保證內(nèi)存可見性，禁止編譯器做出上述優(yōu)化：

import java.util.Scanner;

public class Demo2 {

private static volatile int isQuit = 0;

public static void main(String[] args) {

Thread t = new Thread(()->{

while(0 == isQuit){

}

System.out.println("Thread t has finished.");

});

t.start();

Scanner scanner = new Scanner(System.in);

System.out.println("Please input the value of isQuit: ");

isQuit = scanner.nextInt();

System.out.println("Thread main has finished.");

}

}

此時輸出結(jié)果為：

??

（5）指令重排序問題：synchronized關(guān)鍵字可以禁止指令重排序；

注：synchronized解決多線程修改同一變量問題代碼示例：

使用鎖后，就將線程間亂序的并發(fā)變成了一個串型操作，并發(fā)性降低但會更安全；

雖然效率有所降低但相較于單線程程序，還是能分擔步驟壓力，效率還是較高的；

java中加鎖的方式有很多種，最常使用的是synchronized關(guān)鍵字：

class Counter{

public int count=0;

synchronized public void increase(){

count++;

}

}

public class Demo1 {

private static Counter counter = new Counter();

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

Thread t1 = new Thread(()->{

for(int i=0;i<50000;i++){

counter.increase();

}

});

Thread t2 = new Thread(()->{

for(int i=0;i<50000;i++){

counter.increase();

}

});

t1.start();

t2.start();

t1.join();

t2.join();

System.out.println(counter.count);

}

}

輸出結(jié)果為：

??

注：（1）在increase()方法前加上synchronized修飾，此時進入方法就會自動加鎖，離開方法就會自動解鎖；

（2）當給一個線程加鎖成功時，其他線程嘗試加鎖就會觸發(fā)阻塞等待，此時對應的線程就處于clocked狀態(tài)；

（3）阻塞狀態(tài)會一直持續(xù)到占用鎖的線程解鎖為止，時間軸縮略圖如下：

?（3）synchronized可以保證操作的原子性，保證內(nèi)存可見性，還可以禁止指令重排序；

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