第三十七期:如果你这样回答“什么是线程安全”，面试官都会对你刮目相看

6月12日

以下文章来源于编程新说 ，作者编程新说李新杰

有读者跟我说，喜欢看我的文章，说很容易读，我确实在易读性上花费的心思不亚于在内容上。因为我不喜欢一上来就堆很多东西，而且把简单的东西搞得复杂人人都会，但是把复杂的东西讲的简单，确实需要非常多的思考。

不是线程的安全

面试官问：“什么是线程安全”，如果你不能很好的回答，那就请往下看吧。

论语中有句话叫“学而优则仕”，相信很多人都觉得是“学习好了可以做官”。然而，这样理解却是错的。切记望文生义。

同理，“线程安全”也不是指线程的安全，而是指内存的安全。为什么如此说呢？这和操作系统有关。

目前主流操作系统都是多任务的，即多个进程同时运行。为了保证安全，每个进程只能访问分配给自己的内存空间，而不能访问别的进程的，这是由操作系统保障的。

在每个进程的内存空间中都会有一块特殊的公共区域，通常称为堆（内存）。进程内的所有线程都可以访问到该区域，这就是造成问题的潜在原因。

假设某个线程把数据处理到一半，觉得很累，就去休息了一会，回来准备接着处理，却发现数据已经被修改了，不是自己离开时的样子了。可能被其它线程修改了。

比如把你住的小区看作一个进程，小区里的道路/绿化等就属于公共区域。你拿1万块钱往地上一扔，就回家睡觉去了。睡醒后你打算去把它捡回来，发现钱已经不见了。可能被别人拿走了。

因为公共区域人来人往，你放的东西在没有看管措施时，一定是不安全的。内存中的情况亦然如此。

所以线程安全指的是，在堆内存中的数据由于可以被任何线程访问到，在没有限制的情况下存在被意外修改的风险。

即堆内存空间在没有保护机制的情况下，对多线程来说是不安全的地方，因为你放进去的数据，可能被别的线程“破坏”。

那我们该怎么办呢？解决问题的过程其实就是一个取舍的过程，不同的解决方案有不同的侧重点。


私有的东西就不该让别人知道


现实中很多人都会把1万块钱藏着掖着，不让无关的人知道，所以根本不可能扔到大马路上。因为这钱是你的私有物品。

在程序中也是这样的，所以操作系统会为每个线程分配属于它自己的内存空间，通常称为栈内存，其它线程无权访问。这也是由操作系统保障的。

如果一些数据只有某个线程会使用，其它线程不能操作也不需要操作，这些数据就可以放入线程的栈内存中。较为常见的就是局部变量。
 

double avgScore(double[] scores) {
    double sum = 0;
    for (double score : scores) {
        sum += score;
    }
    int count = scores.length;
    double avg = sum / count;
    return avg;
}

这里的变量sum，count，avg都是局部变量，它们都会被分配在线程栈内存中。

假如现在A线程来执行这个方法，这些变量会在A的栈内存分配。与此同时，B线程也来执行这个方法，这些变量也会在B的栈内存中分配。

也就是说这些局部变量会在每个线程的栈内存中都分配一份。由于线程的栈内存只能自己访问，所以栈内存中的变量只属于自己，其它线程根本就不知道。

就像每个人的家只属于自己，其他人不能进来。所以你把1万块钱放到家里，其他人是不会知道的。且一般还会放到某个房间里，而不是仍在客厅的桌子上。

所以把自己的东西放到自己的私人地盘，是安全的，因为其他人无法知道。而且越隐私的地方越好。


大家不要抢，人人有份


相信聪明的你已经发现，上面的解决方案是基于“位置”的。因为你放东西的“位置”只有你自己知道（或能到达），所以东西是安全的，因此这份安全是由“位置”来保障的。

在程序里就对应于方法的局部变量。局部变量之所以是安全的，就是因为定义它的“位置”是在方法里。这样一来安全是达到了，但是它的使用范围也就被限制在这个方法里了，其它方法想用也不用了啦。

现实中往往会有一个变量需要多个方法都能够使用的情况，此时定义这个变量的“位置”就不能在方法里面了，而应该在方法外面。即从（方法的）局部变量变为（类的）成员变量，其实就是“位置”发生了变化。

那么按照主流编程语言的规定，类的成员变量不能再分配在线程的栈内存中，而应该分配在公共的堆内存中。其实也就是变量在内存中的“位置”发生了变化，由一个私有区域来到了公共区域。因此潜在的安全风险也随之而来。

那怎么保证在公共区域的东西安全呢？答案就是，大家不要抢，人人有份。设想你在街头免费发放矿泉水，来了1万人，你却只有1千瓶水，结果可想而知，一拥而上，场面失守。但如果你有10万瓶水，大家一看，水多着呢，不用着急，一个个排着队来，因为肯定会领到。

东西多了，自然就不值钱了，从另一个角度来说，也就安全了。大街上的共享单车，现在都很安全，因为太多了，到处都是，都长得一样，所以连搞破坏的人都放弃了。因此要让一个东西安全，就疯狂的copy它吧。

回到程序里，要让公共区域堆内存中的数据对于每个线程都是安全的，那就每个线程都拷贝它一份，每个线程只处理自己的这一份拷贝而不去影响别的线程的，这不就安全了嘛。相信你已经猜到了，我要表达的就是ThreadLocal类了。
 

class StudentAssistant {

    ThreadLocal realName = new ThreadLocal<>();
    ThreadLocal totalScore = new ThreadLocal<>();

    String determineDegree() {
        double score = totalScore.get();
        if (score >= 90) {
            return "A";
        }
        if (score >= 80) {
            return "B";
        }
        if (score >= 70) {
            return "C";
        }
        if (score >= 60) {
            return "D";
        }
        return "E";
    }

    double determineOptionalcourseScore() {
        double score = totalScore.get();
        if (score >= 90) {
            return 10;
        }
        if (score >= 80) {
            return 20;
        }
        if (score >= 70) {
            return 30;
        }
        if (score >= 60) {
            return 40;
        }
        return 60;
    }
}

这个学生助手类有两个成员变量，realName和totalScore，都是ThreadLocal类型的。每个线程在运行时都会拷贝一份存储到自己的本地。

A线程运行的是“张三”和“90”，那么这两个数据“张三”和“90”是存储到A线程对象（Thread类的实例对象）的成员变量里去了。假设此时B线程也在运行，是“李四”和“85”，那么“李四”和“85”这两个数据是存储到了B线程对象（Thread类的实例对象）的成员变量里去了。

线程类（Thread）有一个成员变量，类似于Map类型的，专门用于存储ThreadLocal类型的数据。从逻辑从属关系来讲，这些ThreadLocal数据是属于Thread类的成员变量级别的。从所在“位置”的角度来讲，这些ThreadLocal数据是分配在公共区域的堆内存中的。

说的直白一些，就是把堆内存中的一个数据复制N份，每个线程认领1份，同时规定好，每个线程只能玩自己的那份，不准影响别人的。

需要说明的是这N份数据都还是存储在公共区域堆内存里的，经常听到的“线程本地”，是从逻辑从属关系上来讲的，这些数据和线程一一对应，仿佛成了线程自己“领地”的东西了。其实从数据所在“位置”的角度来讲，它们都位于公共的堆内存中，只不过被线程认领了而已。这一点我要特地强调一下。

其实就像大街上的共享单车。原来只有1辆，大家抢着骑，老出问题。现在从这1辆复制出N辆，每人1辆，各骑各的，问题得解。共享单车就是数据，你就是线程。骑行期间，这辆单车从逻辑上来讲是属于你的，从所在位置上来讲还是在大街上这个公共区域的，因为你发现每个小区大门口都贴着“共享单车，禁止入门”。哈哈哈哈。

共享单车是不是和ThreadLocal很像呀。再重申一遍，ThreadLocal就是，把一个数据复制N份，每个线程认领一份，各玩各的，互不影响。


只能看，不能摸


放在公共区域的东西，只是存在潜在的安全风险，并不是说一定就不安全。有些东西虽然也在公共区域放着，但也是十分安全的。比如你在大街上放一个上百吨的石头雕像，就非常安全，因为大家都弄不动它。

再比如你去旅游时，经常发现一些珍贵的东西，会被用铁栅栏围起来，上面挂一个牌子，写着“只能看，不能摸”。当然可以国际化一点，“only look，don't touch”。这也是很安全的，因为光看几眼是不可能看坏的。

回到程序里，这种情况就属于，只能读取，不能修改。其实就是常量或只读变量，它们对于多线程是安全的，想改也改不了。
 

class StudentAssistant {

    final double passScore = 60;
}

比如把及格分数设定为60分，在前面加上一个final，这样所有线程都动不了它了。这就很安全了。


小节一下：以上三种解决方案，其实都是在“耍花招”。

第一种，找个只有自己知道的地方藏起来，当然安全了。

第二种，每人复制1份，各玩各的，互不影响，当然也安全了。

第三种，更狠了，直接规定，只能读取，禁止修改，当然也安全了。

是不是都在“避重就轻”呀。如果这三种方法都解决不了，该怎么办呢？Don't worry，just continue reading。


没有规则，那就先入为主


前面给出的三种方案，有点“理想化”了。现实中的情况其实是非常混乱嘈杂的，没有规则的。

比如在中午高峰期你去饭店吃饭，进门后发现只剩一个空桌子了，你心想先去点餐吧，回来就坐这里吧。当你点完餐回来后，发现已经被别人捷足先登了。

因为桌子是属于公共区域的物品，任何人都可以坐，那就只能谁先抢到谁坐。虽然你在人群中曾多看了它一眼，但它并不会记住你容颜。

解决方法就不用我说了吧，让一个人在那儿看着座位，其它人去点餐。这样当别人再来的时候，你就可以理直气壮的说，“不好意思，这个座位，我，已经占了”。

我再次相信聪明的你已经猜到了我要说的东西了，没错，就是（互斥）锁。

回到程序里，如果公共区域（堆内存）的数据，要被多个线程操作时，为了确保数据的安全（或一致）性，需要在数据旁边放一把锁，要想操作数据，先获取锁再说吧。

假设一个线程来到数据跟前一看，发现锁是空闲的，没有人持有。于是它就拿到了这把锁，然后开始操作数据，干了一会活，累了，就去休息了。

这时，又来了一个线程，发现锁被别人持有着，按照规定，它不能操作数据，因为它无法得到这把锁。当然，它可以选择等待，或放弃，转而去干别的。

第一个线程之所以敢大胆的去睡觉，就是因为它手里拿着锁呢，其它线程是不可能操作数据的。当它回来后继续把数据操作完，就可以把锁给释放了。锁再次回到空闲状态，其它线程就可以来抢这把锁了。还是谁先抢到锁谁操作数据。
 

class ClassAssistant {

    double totalScore = 60;
    final Lock lock = new Lock();

    void addScore(double score) {
        lock.obtain();
        totalScore += score;
        lock.release();
    }

    void subScore(double score) {
        lock.obtain();
        totalScore -= score;
        lock.release();
    }
}

假定一个班级的初始分数是60分，这个班级抽出10名学生来同时参加10个不同的答题节目，每个学生答对一次为班级加上5分，答错一次减去5分。因为10个学生一起进行，所以这一定是一个并发情形。

因此加分和减分这两个方法被并发的调用，它们共同操作总分数。为了保证数据的一致性，需要在每次操作前先获取锁，操作完成后再释放锁。

相信世界充满爱，即使被伤害

再回到一开始的例子，假如你往地上仍1万块钱，是不是一定会丢呢？这要看情况了，如果是在人来人往的都市，可以说肯定会丢的。如果你跑到无人区扔地上，可以说肯定不会丢。

可以看到，都是把东西无保护的放到公共区域里，结果却相差很大。这说明安全问题还和公共区域的环境状况有关系。

比如我把数据放到公共区域的堆内存中，但是始终都只会有1个线程，也就是单线程模型，那这数据肯定是安全的。

再者说，2个线程操作同一个数据和200个线程操作同一个数据，这个数据的安全概率是完全不一样的。肯定线程越多数据不安全的概率越大，线程越少数据不安全的概率越小。取个极限情况，那就是只有1个线程，那不安全概率就是0，也就是安全的。

可能你又猜到了我想表达的内容了，没错，就是CAS。可能大家觉得既然锁可以解决问题，那就用锁得了，为啥又冒出了个CAS呢？

那是因为锁的获取和释放是要花费一定代价的，如果在线程数目特别少的时候，可能根本就不会有别的线程来操作数据，此时你还要获取锁和释放锁，可以说是一种浪费。

针对这种“地广人稀”的情况，专门提出了一种方法，叫CAS（Compare And Swap）。就是在并发很小的情况下，数据被意外修改的概率很低，但是又存在这种可能性，此时就用CAS。

假如一个线程操作数据，干了一半活，累了，想要去休息。（貌似今天的线程体质都不太好）。于是它记录下当前数据的状态（就是数据的值），回家睡觉了。

醒来后打算继续接着干活，但是又担心数据可能被修改了，于是就把睡觉前保存的数据状态拿出来和现在的数据状态比较一下，如果一样，说明自己在睡觉期间，数据没有被人动过（当然也有可能是先被改成了其它，然后又改回来了，这就是ABA问题了），那就接着继续干。如果不一样，说明数据已经被修改了，那之前做的那些操作其实都白瞎了，就干脆放弃，从头再重新开始处理一遍。

所以CAS这种方式适用于并发量不高的情况，也就是数据被意外修改的可能性较小的情况。如果并发量很高的话，你的数据一定会被修改，每次都要放弃，然后从头再来，这样反而花费的代价更大了，还不如直接加锁呢。

这里再解释下ABA问题，假如你睡觉前数据是5，醒来后数据还是5，并不能肯定数据没有被修改过。可能数据先被修改成8然后又改回到5，只是你不知道罢了。对于这个问题，其实也很好解决，再加一个版本号字段就行了，并规定只要修改数据，必须使版本号加1。

这样你睡觉前数据是5版本号是0，醒来后数据是5版本号是0，表明数据没有被修改。如果数据是5版本号是2，表明数据被改动了2次，先改为其它，然后又改回到5。

我再次相信聪明的你已经发现了，这里的CAS其实就是乐观锁，上一种方案里的获取锁和释放锁其实就是悲观锁。乐观锁持乐观态度，就是假设我的数据不会被意外修改，如果修改了，就放弃，从头再来。悲观锁持悲观态度，就是假设我的数据一定会被意外修改，那干脆直接加锁得了。

作者观点：

前两种属于隔离法，一个是位置隔离，一个是数据隔离。

然后两种是标记法，一个是只读标记，一个是加锁标记。

最后一种是大胆法，先来怼一把试试，若不行从头再来。

对于大胆法，还是有必要尝试的。有人曾说过，“梦想还是要有的，万一实现了呢”。

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