Java中線程安全和線程不安全解析和示例

簡介

本文作為多線程程式設計的第一篇文章，将從一個簡單的例子開始，帶你真正從代碼層次了解什麼是線程不安全，以及為什麼會出現線程不安全的情況。文章中将提供一個完整的線程不安全示例，希望你可以跟随文章，自己真正動手運作一下此程式，體會一下多線程程式設計中必須要考慮的線程安全問題。

一.什麼是線程安全

《Java Concurrency In Practice》作者Brian Goetz的定義:“當多個線程通路一個對象時,如果不用考慮這些線程在運作時環境下的排程和交替執行,也不需要進行額外的同步或者在調用方進行任何其他的協調操作,調用這個對象的行為都可以獲得正确的結果,那這個對象是線程安全的。

為什麼不把所有操作都做成線程安全的？

實作線程安全是有成本的，比如線程安全的程式運作速度會相對較慢、開發的複雜度也提高了，提高了人力成本。

二.從經典的線程不安全的示例開始

經典案例： 兩個線程，共同讀寫一個全局變量

count

,每個線程執行10000次

count++

,

count

的最終結果會是20000嗎，在心中猜測一下運作結果？

經典案例的代碼實作：

package com.study.synchronize.object;

/**
 * 線程不安全案例：兩個線程同時累加同一個變量，結果值會小于實際值
 */
public class ConcurrentProblem implements Runnable {

	private static ConcurrentProblem concurrentProblem = new ConcurrentProblem();
	private static int count;


	public static void main(String[] args) {
		Thread thread1 = new Thread(concurrentProblem);
		Thread thread2 = new Thread(concurrentProblem);
		thread1.start();
		thread2.start();
		try {
			// 等待兩個線程都運作結束後，再列印結果
			thread1.join();
			thread2.join();
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		//期待結果是20000，但是結果會小于這個值
		System.out.println(count);
	}

	/**
	 * 多線程問題原因：count++這行代碼要分三步執行；1：讀取；2：修改；3：寫入。
	 * 在這三步中，任何一步都可能被其他線程打斷，導緻值還沒來得及寫入，就被其他線程讀取或寫入，這就是多線程并行操作統一變量導緻的問題。
	 */
	@Override
	public void run() {
		for (int k = 0; k < 10000; k++) {
			count++;
		}
	}

}

           

多次運作結果：

count

最終值會小于等于20000。

三.剖析問題：多線程累加為什麼會有小于預期值這種情況呢

1.了解JVM如何執行

count++

程式執行

count++

這個操作時，JVM将會分為三個步驟完成(非原子性）：

1. 某線程從記憶體中讀取

   count

   。
2. 某線程修改

   count

   值。
3. 某線程将

   count

   重新寫入記憶體。

這個操作過程應該很好了解，你可簡單的類比為

把大象裝進冰箱裡的三個步驟

。在單線程中執行上述代碼是不會出現

小于2萬

的這種情況，為什麼多線程就發生了跟預期不一緻的情況呢？為了徹底弄清楚這個問題，你需要先了解什麼是線程？

線程像

病毒

一樣，不能夠獨立的存活于世間，需要寄生在

宿主細胞

中。線程也是不能夠獨立的生存在系統中，

線程

需要依附于

程序

存在。什麼是程序？

程序是代碼在資料集合上的一次運作活動，是系統進行資源配置設定和排程的基本機關

線程是程序的一個執行路徑，一個程序至少有一個線程，多個線程則會共享程序中的資源。
           

2.了解問題的根源：

有了對線程的認識後，我們再去思考，

count++

的3個步驟，由于線程會共享程序中的資源，是以在這三步中，任何一步都可能被其他線程打斷，導緻

count

值還沒來得及寫入，就被其他線程讀取或寫入。

3.腦補還原出錯的流程：

• 假如

  count

  值為1，線程1讀取到

  count

  值後，将

  count

  修改為2，此時還沒來得及将結果寫入記憶體，記憶體中的count值還是1。
• 另一個線程2，讀取到

  count

  值為1後，也将其修改為2，并成功寫入記憶體中，此時記憶體中的

  count

  值變為了2。
• 随後線程1也将

  count

  的結果2寫入到記憶體中，

  count

  在記憶體中的結果依然是2（理應為3）。

上述場景中，兩個線程各自執行了一次

count++

，但count值卻隻增加了1，這就是問題所在。

總結

多線程可以并行執行一些任務，提高處理效率，但也同時帶來了新的問題，也就是線程安全問題，多個線程之間，操作同一資源時，也出現了讓人意向不到的的情況，其原因是這些操作可能不是原子性操作，簡單的說，我們肉眼看起來程式執行了一步操作，但在JVM中可能需要分多個步驟執行，多個線程可能會打亂了JVM的執行順序，随後也就發生了不可預知的問題。

那麼在Java中，怎麼應對這種問題呢？Java随着版本的更新，提供了很多解決方案，比如：Concurrent包中的類。但我們下一篇文章，将講解一種最簡單、最友善的一種解決方案，上述案例代碼僅僅通過增加一個單詞，就可以輕松避免線程安全的問題，它就是

synchronized

關鍵字。

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synchronized

各種使用場景。