【并发编程】线程安全和线程不安全的定义以及实现线程安全的方法有哪些

目录

1、线程安全

1.1 不可变

1.2 绝对线程安全

1.3 相对线程安全

1.4 线程兼容

1.5 线程对立

1.6 线程安全的实现方法

1.6.1 互斥同步

        线程执行互斥代码的过程

       ① 实现互斥同步的方法--synchronized关键字

       ② 实现互斥同步的方法--ReentrantLock关键字

1.6.2 非阻塞同步

1.6.3 无同步方案

2、线程不安全

3、引起线程安全问题的原因

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1、线程安全

指多个线程在执行同一段代码的时候采用加锁机制，使每次的执行结果和单线程执行的结果都是一样的，不存在执行程序时出现意外结果。

在Java中也就是当多个线程访问一个对象时，如果不考虑这些线程在执行时环境下的调度和交替执行，也不需要进行额外的同步，或者在调用方进行任何其他的协调操作，调用这个对象的行为都可以获得正确的结果，那么这个对象是线程安全的。

我们讨论的java中的线程安全，就限定于多个线程之间存在共享数据访问这个前提，因为如果一段代码根本不会与其他线程共享数据，那么从线程安全的角度来看，程序是串行执行还是多线程执行对它来说是完全没有区别的。

我们可以将Java语言中各种操作共享的数据分为以下5类：不可变、绝对线程安全、相对线程安全、线程兼容和线程对立。

 

1.1 不可变

在Java语言中不可变的对象一定是线程安全的，无论是对象的方法实现还是方的调用者，都不需要再采用任何的线程安全保障措施。

不可变对象(Immutable Object)：对象一旦被创建后，对象所有的状态及属性在其生命周期内不会发生任何变化。

• 例如final关键字，只要一个不可变对象被正确构建出来（没有发生this引用逃逸，即对象还未构造完成this引用就被发布出去了），那其外部的可见状态永远不会发生改变，永远不会看到它在多个线程之中处于不一致的状态。
• 例如java.lang.String类的对象，它是一个典型的不可变对象，我们调用它substring（）、replace（）和concat（）这些方法都不会影响它原来的值，只会返回一个新构造的字符串对象
• String，枚举类型，以及java.lang.Number的部分子类，如Long和Double等数值包装类型，BigInteger和BigDecimal等大数据类型基本都是不可变的API；但同为Number的子类型的原子类AtomicInteger和AtomicLong则并非不可变的

 

1.2 绝对线程安全

不管运行时环境如何，调用者都不需要任何额外的同步措施。

• 例如java.util.Vector是一个线程安全的容器，它的get,add,size等方法都是被synchronized修饰的，效率很低 ，但确实是安全的。可是Vector并不是绝对线程安全，因为它被调用时并不是永远不需要同步手段，如多线程中一个线程在错误的时间里对元素进行了删除，就会导致边界异常。此时对删除需要进入同步块处理。
• 在Java API中标注自己是线程安全的类，大多数都不是绝对的线程安全。Java给你的保证的线程安全，是说它的方法是执行是排它的，而不是对这个对象本身的多次调用情况下，还是安全的。

 

1.3 相对线程安全

相对的线程安全就是我们通常意义上所讲的线程安全

要保证对这个对象单独的操作是线程安全的，调用时不需要做额外的保障措施，但对一些特定的顺序的连续调用，就可能需要在调用端使用额外的同步手段来保证调用的正确性。

Java中大部分都属于这类，如Vector，HashTable，Collections的synchronizedCollection()方法包装的集合(比如Collections.synchronizedList)，StringBuffer，statck，Enumeration (枚举，相当于迭代器)等。

• 在集合框架中，除了上面这些之外，其他的都是非线程安全的类和接口。

 

1.4 线程兼容

线程兼容是指对象本身并不是线程安全的，但是可以通过在调用端正确地使用同步手段来保证对象在并发环境中可以安全地使用，我们平常说一个类不是线程安全的，绝大多数时候指的是这一种情况。Java  API中大部分的类都是属于线程兼容的，如与前面的Vector和HashTable相对应的集合类ArrayList和HashMap，还有LinkedList，HashSet，TreeMap，TreeSet，StringBulider这些都是线程不安全类。

 

1.5 线程对立

线程对立是指无论调用端是否采取了同步措施，都无法在多线程环境中并发使用的代码。由于Java语言天生就具备多线程特性，线程对立这种排斥多线程的代码是很少出现的，而且通常都是有害的，应当尽量避免。

举个线程对立的例子是Thread类的suspend()和resume()方法，如果有两个线程同时持有一个线程对象，一个尝试去中断线程，另一个尝试去恢复线程，如果并发进行的话，无论调用时是否进行了同步，目标线程都是存在死锁风险的，如suspend()中断的线程就是即将要执行resume()的那个线程，那就肯定要产生死锁了。也正是由于这个原因，suspend()和resume()方法已经被JDK声明废弃（@Deprecated）了。常见的线程对立的操作还有System.setIn()、Sytem.setOut()和System.runFinalizersOnExit()等。

 

1.6 线程安全的实现方法

我们了解了什么是线程安全之后，那接下来的一个问题就是我们应该如何实现线程安全？这个听起来似乎是一件由代码如何编写来决定的事情，确实，如何实现线程安全与代码的编写有很大关系，但虚拟机提供的同步和锁机制（通过锁机制实现了同步）也起到了非常重要的作用。

这就让我们来讲讲其的具体实现吧~~

1.6.1 互斥同步

互斥同步（Mutual Exclusion & Synchroniztion）是最常见的一种并发正确性保障手段。

• 同步 - 指在多个线程并发访问共享数据时，保证共享数据在同一个时刻只被一条（或者是一些，使用信号量的时候）线程使用。
• 互斥 - 是实现同步的一种手段，临界区（Critical Section）、互斥量（Mutex）和信号量（Semaphore）都是主要的互斥实现方式。

互斥是因，同步是果，互斥是方法，同步是目的。

 

线程执行互斥代码的过程：

1.获得互斥锁

2.清空工作内存

3.从主内存拷贝变量的最新副本到工作内存中

4.执行代码

5.将更改后的共享变量值刷新到主内存中

6.释放互斥锁

注：这个过程也就是能看出就是保证可见性的原理

 

① 实现互斥同步的方法--synchronized关键字

在Java里面，最基本的互斥同步手段就是synchronized关键字，synchronized关键字经过编译之后，会在同步块的首尾分别形成monitorenter和monitorexit这两个字节码指令，这两个字节码都需要一个reference类型（引用类型）的参数来指明要锁定和解锁的对象。如果Java程序中的synchronized明确指定了对象参数，那就是这个对象的reference；如果没有明确指定，那就根据synchronized修饰的是实例方法还是类方法（static方法），或取对应的对象实例或Class对象来作为锁对象。

 

根据虚拟机规范的要求，在执行monitorenter指令时，首先要去尝试获取对象的锁。如果这个对象没被锁定，或者当前线程已经拥有了那个对象的锁，把锁的计数器加1，相应的，在执行monitorexit指令时会将锁计数器减1，当计数器为0时，锁就被释放了。

 

如果获取对象锁失败了，那当前线程就要阻塞等待，直到对象锁被另外一个线程释放为止。

在虚拟机规范对monitorenter和monitoreexit的行为描述中，有两点是需要特别注意的：

• synchronized同步块对同一条线程来说是可重入的，这意味着同一线程反复进入同步块 也不会出现自己把自己锁死的情况。
• synchronized同步块块在持有锁的线程执行完毕并释放锁之前，会无条件地阻塞后面其他线程的进入。这意味着无法像处理某些数据库中的锁那样，强制已获取锁的线程释放锁；也无法强制正在等待锁的线程中断等待或超时退出。

 

② 实现互斥同步的方法--ReentrantLock关键字

除了synchronized之外，我们还可以使用java.util.concurrent名中的重入锁（ReentrantLock）来实现同步，在基本用法上，ReentrantLock与synchronized很相似，他们都具备一样的线程重入特性，只是代码写法上有点区别。不过ReentrantLock比synchronized增加了一些高级功能，主要有以下三项：

• 等待可中断 - 当持有锁的线程长期不释放锁的时候，正在等待的线程可以选择放弃等待，改为处理其他事情，可中断特性对处理执行时间非常长的同步块很有帮助。
• 公平锁 - 多个线程在等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序来依次获得锁；而非公平锁则不保证这一点，在锁被释放时，任何一个等待锁的线程都有机会获得锁。synchronized中的锁是非公平的，ReentrantLock默认情况下也是非公平的，但可以通过带布尔值的构造函数要求使用公平锁。
• 锁绑定多个条件 - 一个ReentrantLock对象可以同时绑定多个Condition对象，而在synchronized中，锁对象的wait()和notify()或notifyAll()方法可以实现一个隐含的条件，如果要和多于一个的条件关联的时候，就不得不额外地添加一个锁，而ReentrantLock则无须这样做，只需要多次调用newCondition()方法即可。

单核处理器下两种锁的吞量对比图 

JDK1.5 、双 Xeon 处理器下两种锁的吞吐量对比

从上面两个图可以看出，多线程环境下synchronized的吞吐量下降得非常严重，而ReentrantLock则能基本保持在同一个比较稳定的水平上。

 

总结：

 - 互斥同步最主要的问题就是进行线程阻塞和唤醒所带来的性能问题，因此这种同步也称为阻塞同步（Blocking Synchronization）。它属于一种悲观的并发策略，总是认为只要不去做正确的同步措施（加锁），那就肯定会出现问题，无论共享数据是否真的会出现竞争，它都要进行加锁、用户态核心态转换、维护锁计数器和检查是否有被阻塞的线程需要被唤醒等操作。

 - 互斥、同步、锁的关系

• 互斥是因，同步是果，互斥是实现同步的一种手段。互斥同步是一种同步方法，也就是说互斥同步是实现同步的一种手段。而同步是实现线程安全的一种方法，所以互斥同步也就是实现线程安全的一种方法。
• 加锁是因，互斥是果，加锁是实现互斥的一种方法，进而加锁也就是实现同步的一种手段。锁机制就是通过操作系统中学的临界区（Critical Section）、互斥量（Mutex）和信号量（Semaphore）等来实现的不同种类的锁。
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1.6.2 非阻塞同步

随着硬件指令集的发展，我们实现线程安全有了另外一个选择：基于冲突检测的乐观并发策略，通俗地说就是先进行操作，如果没有其他线程争用共享数据，那操作就成功了；如果共享数据有争用，产生了冲突，那就再进行其他的补偿措施（最常见的补偿措施就是不断地重试，直到试成功了为止），这种乐观的并发策略的许多实现都不需要把线程挂起，因此这种同步操作被称为非阻塞同步（No-Blocking Synchronization）。

 

为什么需要“硬件指令集的发展”才能进行呢？

因为我们需要操作和冲突检测这两个步骤具备原子性，靠什么来保证呢？如果这里再使用互斥同步来保证就失去意义了，所以我们只能靠硬件来完成这件事情，硬件保证一个从语义上看起来需要多次操作的行为只通过一条处理器指令就能完成，这类指指令常用的有：

• 测试并设置（Test-and-Set）；
• 获取并增加（Fetch-and_Increment);
• 交换（Swap）；
• 比较并交换（Compare-and-Swap，下文称CAS）；
• 加载链接/条件储存（Load-Linked / Store-Conditional，下文称LL/SC）。

 

其中，前面的三条是20世纪就已经存在于大多数指令集之中的处理器指令，后面的两条是现代处 理器新增的，而且这两条指令的目的和功能也是类似的。因为Java里最终暴露出来的是CAS操作，所以我们以CAS指令为例 进行讲解。

在JDK1.5之后，Java程序中才开始使用CAS操作，该操作由sun.misc.Unsafe类里面的compareAndSwapInt()和compareAndSwapLong()等几个方法包装提供，虚拟机在内部对这些方法做了特殊处理，即时编译出来的结果就是一条平台相关的处理器CAS指令，没有方法调用的过程，或者可以认为是无条件内联进去了。

由于Unsafe类不是提供给用户程序调用的类(Unsafe.getUnsafe()的代码中限制了只有启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)加载的Class才能访问它），如果不采用反射手段，我们只能通过其他的Java API来间接使用它，如J.U.C包里面的整数原子类，其中的compareAndSet()和getAndIncrement()等方法都使用了Unsafe类的CAS操作。

尽管CAS看起来很美，但显然这种操作无法涵盖互斥同步的所有使用场景，并且CAS从语义上来说并不是完美的，它存在着一个CAS操作的‘ABA’问题：如果一个变量V初次读取的时候是A值，并且在准备赋值的时候检查到它仍然为A值，那我们就能说它的值没有被其他线程改变过了吗？如果在这段期间它的值曾经被改成了B，后来又被改回了A，那CAS操作就会误认为它从来没有被改变过。

为了解决ABA问题，J.U.C包提供了一个带有标记的原子引用类AtomicStampedReference，它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。不过大部分情况下ABA问题不会影响程序并发的正确性，如果需要解决ABA问题，改用传统的互斥同步可能会比原子类更高效。

 

1.6.3 无同步方案

要保证线程安全，并不是一定就要进行同步，两者没有因果关系。同步只是保障共享数据争用时的正确性的手段，如果一个方法本来就不涉及共享数据，那它自然就无须任何同步措施去保证正确性，因此会有一些代码天生就是线程安全的，这里简单介绍其中的两类：

• 可重入代码（Reentant Code）- 这种代码也叫纯代码（Pure Code）,可以在代码执行的任何时刻中断它，转而去执行另外一段代码，而在控制权返回后，原来的程序不会出现任何错误。特征: 例如不依赖存储在堆上的数据公用的系统资源、用到的状态量都由参数中传入、不调用非可重入的方法等。
• 线程本地存储（Thread Local Storage）- 如果一段代码中所需要的数据必须与其他代码共享，那就看看这些共享数据的代码是否能保证在同一个线程中执行？如果能保证，我们就可以把共享数据的可见范围限制在同一个线程之内，这样，无须同步也能保证线程之间不出现数据争用的问题。符合这种特点的应用并不少见，比如大部分的消费队列的架构模式，经典WEB交互模型中的“一个请求对应一个服务器纯种”的处理方式。Java语言中，如果一个变量要被多线程访问，可以使用volatile关键字声明它为“易变的”的；如果一个变量要被某个线程独享，可以通过java.lang.ThreadLocal类来实现线程本地存储的功能。

 

2、线程不安全

是指不提供加锁机制保护，有可能出现多个线程先后更改数据造成所得到的数据是脏数据。

举例说明：假设售票系统有1000张票，A和B同时来买票，如果是线程不安全，那么可能售票系统可能出现1000-1去同时执行的情况，最终结果是A和B都买完后剩下999张票，而不是998张。 

简单点说就是：

• 线程安全==无论多少线程执行，结果都是预期，线程之间互不干扰，也无法干扰。
• 线程不安全==在单个线程下不会有问题，但在多线程环境中，结果会受到随机干扰，即线程的执行顺序会影响到其他线程的结果。

 

3、引起线程安全问题的原因

线程安全问题都是由全局变量及静态变量引起的：

• 若每个线程中对全局变量、静态变量只有读操作，而无写操作，一般来说，这个全局变量是线程安全的；
• 若有多个线程同时执行写操作，一般都需要考虑线程同步，否则的话就可能影响线程安全。

 

参考资料：
深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第3版）- 周志明