Java中的多线程安全问题

目录

一、什么是线程安全？

二、线程不安全的原因

2.1 从底层剖析count++的操作

2.2 线程不安全的原因总结

2.3 JVM内存模型（JMM）

三、synchronized 关键字-监视器锁monitor lock

 3.1 如何加锁（Synchronized用法和特性）

3.1.1. 独占性

3.1.2 可重入性

四、Java 标准库中的线程安全类

五、volatile关键字

5.1 volatile可以保证内存可见性

5.2 volatile不可以保证原子性

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一、什么是线程安全？

简单的理解：如果多线程环境下代码运行的结果是符合我们预期的，即在单线程环境应该的结果，则说这个程序是线程安全的。

观察一下代码：使用两个线程，每个线程都对这个 Counter进行5w次自增，预计是结果为10w。

/**
 * Created with IntelliJ IDEA.
 * Description:
 * User: 86136
 * Date: 2023-01-12
 * Time: 20:50
 */
class Counter {
    public int count = 0;

    public void increase() {
        count++;
    }
}
public class Demo13 {
    static Counter counter = new Counter();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //使用两个线程，每个线程都对这个 Counter进行5w次自增
        //预计是结果为10w

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5_0000; i++) {
                counter.increase();
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5_0000; i++) {
                counter.increase();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(counter.count);
    }
}

运行结果：

二、线程不安全的原因

上面我们使用了多线程运行了一个程序，想让这个变量从0自增到10w次，但是最终实际结果比我们预期的结果要小，这是线程调度顺序的随机性导致的，造成了线程间自增的指令集交叉，导致本来需要自增两次但值只自增了一次的情况。所以得到的结果偏小。

2.1 从底层剖析count++的操作

count++ 操作，在底层其实是被分为三条指令在CPU上进行执行的

1. 把内存的数据读取到CPU的寄存器上（load)
2. 把CPU的寄存器中的值，进行+1（add）
3. 把寄存器中的值，写回到内存中（save）

这里简单的描述几种情况，初始条件：初始值为1，对其进行两次自增。

情况1 ：线程间的指令集，没有交叉，运行结果和预期结果相同，

 情况2：线程间指令集存在交叉，运行结果低于预期结果

 情况3：线程间的指令集完全交叉，实际结果低于预期。

根据上面我们所举出的情况，可以得出，满足线程安全需要具备原子性（自增操作的三条指令可以拆分，不具备这个特点）。

2.2 线程不安全的原因总结

1. 抢占式执行，可以说是线程不安全的万恶之源：多个线程的调度执行过程是“完全随机的‘（这里并非是数学上的完全随机，但是确实是没有规律可言）。
2. 多个线程修改同一个变量。
3. 修改操作不是原子的，如count++一样，其本质在CPU上其实会被分为load，add，save这三个单位。解决线程安全最常见的手段就是从这里入手，通过一些方法将这些指令打包为一个整体。
4. 内存可见性问题，这是JVM的代码优化背景下，在运用到多线程中引入的bug。
5. 指令重排序：可以理解为规划最优路线，这是一种编译器优化，举个栗子：洗碗，烧水，和拖地，我们可以在洗碗的时候同时进行烧水的工作。

对于指令重排序的前提是 "保持逻辑不发生变化". 这一点在单线程环境下比较容易判断, 但是在多线程环境下就没那么容易了, 多线程的代码执行复杂程度更高, 编译器很难在编译阶段对代码的执行效果进行预测, 因此激进的重排序很容易导致优化后的逻辑和之前不等价

现在我们对以上的 内存可见性 进行一定的补充：

可见性的定义

：一个线程对共享变量值的修改，能够及时地被其他线程看见。

2.3 JVM内存模型（JMM）

Java虚拟机规范中定义了Java内存模型，目的是屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的并发效果。

• 线程之间的共享变量存在 主内存 中（Main Memory）
• 每一个线程都有自己的“工作内存”（Work Memory）
• 当线程要读取一个共享变量的时候，会先把变量从主内存拷贝到工作内存中，再从工作内存读取数据。
• 当线程要修改一个共享变量的时候，也会先把工作内存中的副本，再同步到主内存中。

但是由于每个线程都有自己的工作内存，这些工作内存中的内容相当于同一个共享变量的副本，此时如果修改线程1的工作内存的值，线程2的工作内存不一定会及时变化。

犹如下面情况：

初始情况 ：当两个线程的工作内存相同时候。

 后续：一旦线程1修改了a的值，那么主内存不一定能够及时同步，对应的线程2的工作内存的a值也不一定能及时同步。

这时的代码可能就会出现问题。  

思考：为什么需要那么多内存？为什么要这么麻烦的拷贝来拷贝去？

1）：实际并没有那么多的内存，这只是Java规范中的一个术语，是属于抽象的叫法,因为我们需要更好的通用性/跨平台性,Java语言的初衷其实就是让程序员们感受不到硬件上的差异。（比如工作内存就和硬件无关，因为CPU内部的结构是不一样的，有的CPU是只带寄存器，有的带寄存器和缓存，有的CPU缓存还有多级缓存（L1,L2,L3））.这时不同CPU存储方式就不一样了，此时使用工作内存就代指上面一套（寄存器+缓存）。

所谓的 “主内存”，才是真正硬件角度的内存，而所谓的 “工作内存”则是指：CPU的寄存器和高速缓存。

2）：因为CPU访问自身寄存器的速度以及高速缓存的速度，远超于访问内存的速度（快了3-4个数量级）。

比如某个代码要连续10次读取某个变量的值，如果10次都从内存读，速度是很慢的，但是如果只是第一次从内存读，读到的结果缓存到CPU的某个寄存器中，那么后9次读数据就不必访问内存了，效率大大提高。

那么问题来了，既然访问寄存器的速度这么快，那么全部都用寄存器不就好了，为什么还需要内存呢?

：因为CPU中的寄存器价格昂贵，内存次之，硬盘最便宜。所以导致了需要内存配合寄存器使用。

值得一提的是，快和慢是相对的，CPU访问寄存器的速度远远高于访问内存的速度，但是内存的访问速度又远远快于硬盘。

这里用一段代码再次演示以便加深印象：

我们已经知道，访问寄存器的速度是远远高于内存的，在下面这段代码中，while循环内会频繁的进行读内存（LOAD）和比较的操作（CMP，比较寄存器中的值是否为0）.

由于load消耗的时间比CMP的时间慢了3~4个数量级，于是编译器就会对这一现象进行优化：

编译器认为因为要频繁的执行load，而且load得到的结果是一样的（编译器这么认为的，实际不一定，比如下面我们举的例子）。于是就只执行一次load，后续在进行CMP的时候就不会再读内存了，而是读JMM中的工作内存（寄存器的值或者缓存）。

但是如果在这期间，有人修改了这个值，代码就会因为编译器的优化而出现bug：

 结论：编译器优化会在多线程的情况下可能会出现误判。

既然编译如果在自己判断不准确的话，把不该优化的地方优化了，那么就可以让程序员们显示的提醒编译器，该地方无需优化。这也正是volatile的作用。

三、synchronized 关键字-监视器锁monitor lock

那么以上的问题如何解决呢？那就需要引入Java中的”锁”

再回顾刚刚的代码，我们只需要将increase方法用synchronized修饰即可。

class Counter {
    public int count = 0;

    public synchronized void increase() {
        count++;
    }
}

整段代码：

class Counter {
    public int count = 0;

    public synchronized void increase() {
        count++;
    }
}
public class Demo13 {
    static Counter counter = new Counter();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //使用两个线程，每个线程都对这个 Counter进行5w次自增
        //预计是结果为10w

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5_0000; i++) {
                counter.increase();
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5_0000; i++) {
                counter.increase();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(counter.count);
    }
}

运行结果：

 3.1 如何加锁（Synchronized用法和特性）

3.1.1. 独占性

利用synchronized的独占性，也称互斥性，通俗一点来说就是如果当前锁没有被上锁，那么这个加锁操作就会成功，如果当前锁已经被人加上，加锁操作就会阻塞等待。

• 进入 synchronized 修饰的代码块，相当于加锁
• 退出 synchronized 修饰的代码块，相当于解锁

 加锁之后，原先可以交叉执行的指令就无法交叉，变成了一个整体。

如果仍无法理解线程1在参与其他工作时候，线程2无法进入CPU执行，可以看一下这个栗子：

类似于图书馆占座，小A同学占座之后不一定每时每刻都在图书馆位子上，可能中途上厕所，饭点去吃饭之类的，而这期间小B同学想使用小A的这个位置是不被允许的。

 如果把for也写到加锁代码里，这时候就跟完全串行一样了。

总结：加锁要考虑好锁哪段代码，锁的代码范围不一样，对代码执行效果会有很大影响，锁的代码越多，就叫做”锁的粒度越大/越粗“,锁的代码越少，就叫做”锁的粒度越小/越细“。

有的同学可能会问，如果一个线程加锁，一个线程不加锁，这时线程安全能否保证？

首先我们要明白一点，线程安全，不是因为加了锁就一定安全，而是通过加锁，让并发修改同一个变量变成串行修改同一个变量才安全。结论就是不正确的加锁方式，不一定能解决线程安全问题。

举例：这时只给一个线程加锁，这个是没啥用的，一个线程加锁，不涉及到”锁竞争“，也就不会阻塞等待，相应，也就不会并发执行变成串行执行。

class Counter {
    public int count = 0;

    public synchronized void increase() {
        count++;
    }
    public  void increase2() {
        count++;
    }

}
public class Demo13 {
    static Counter counter = new Counter();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //使用两个线程，每个线程都对这个 Counter进行5w次自增
        //预计是结果为10w

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5_0000; i++) {
                counter.increase();
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5_0000; i++) {
                counter.increase2();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(counter.count);
    }
}

运行结果仍比期望的10w小：

在日常开发的过程中，可能会碰到需要加锁的代码不完全都在一个方法中，这时该怎么处理？

其实我们的synchronized除了能修饰方法外，还可以修饰代码块。因此，我们就可以把要进行加锁的逻辑放到synchronized修饰的代码块中，也能起到加锁的效果。

写法1：

需要注意的是：synchronized里面锁的对象个数只能为一，虽然在Java中任何对象都可以被当作锁对象，但是我们并不关心对象是谁，而是关系是否锁的是同一个对象，因为只有多个线程锁同一个对象的时候，这时才能进行锁竞争。

就如下图一样，因为是针对两个不同对象进行加锁，所以不涉及到锁竞争。

写法2：针对locker对象进行加锁，locker是Counter的一个普通成员（非静态成员），每一个Counter实例中，都有自己的locker实例。

分析：这个代码中都针对counter对象进行加锁，counter对象中的locker是同一个对象，因此仍然可以导致锁竞争的产生。

延申1；如果这里调用count1，count2的increase，因为locker不是同一个locker，结论

：同样无法产生锁竞争。

 延申2：将locker变为静态的。结论;会产生锁竞争。

 延申3：一个锁locker，一个锁当前对象（this），结论：不会产生锁竞争

延申4：锁对象为一个类对象 Counter.class（在JVM中只有一个，存储的是Counter中的详细信息，比如属性数量，名称，类型等）,结论：会产生锁竞争。

延申5：synchronized修饰静态方法，结论：会产生锁竞争。 

 synchronized用法总结：

1.修饰普通方法，锁对象相当于this。

2.修饰代码块，锁对象需要在 （）内指定。

3.修饰静态方法，锁对象相当于 类对象（注意这里并不是锁整个类）。

3.1.2 可重入性

synchronized 是可以对同一条线程是可重入的，不会出现自己把自己锁死的情况。

何为死锁？

简单来说；就是一个线程针对一把锁加锁两次。

第一次加锁可以成功，第二次加锁就会失败

分析：因为第二次加锁的时候，锁已经被占用，要想加锁成功，必须等待第一把锁解锁，但是第一把锁要想执行完成，必须执行完第二把加锁的代码块。这造成死循环。

针对上述情况，不会产生死锁的情况，就叫做”可重入锁“，  会产生死锁的情况，就叫做”不可重入锁“。

当然 我们这里所讲到的 synchronized是可重入锁。

可重入锁的底层实现

其实道理是很简单的。原则1 就是 让这个锁记录好是哪个线程持有这把锁即可。

比如：线程t尝试对针对this进行加锁，this这个锁就记录t持有了它自己，当第二次t进行加锁的时候，锁一看还是t线程，于是就直接放行通过。这是不需要阻塞等待的。

原则2：就是内部维护一个计数器，用来衡量什么时候是真加锁，什么时候需要解锁，什么时候需要直接放行。（这些synchronized会帮我们维护好，不需要我们关心）。

ps：加锁代码中出现了一次，是不会出现死锁的情况的，无论如何代码都能执行到。这也是synchronized被设计为关键字的一个原因。

四、Java 标准库中的线程安全类

Java标准库中很多都是线程不安全的，这些类可能会设计到多线程修改共享数据，但是没有任何自带的加锁措施：

• ArrayList
• LinkedList
• HashMap
• TreeMap
• HashSet
• TreeSet
• StringBuilder

但是还有一些是线程安全的. 使用了一些锁机制来控制.

• Vector (不推荐使用)
• HashTable (不推荐使用)
• ConcurrentHashMap
• StringBuffer

StringBuffer 的核心方法都带有 synchronized .

还有的虽然没有加锁, 但是不涉及 "修改", 仍然是线程安全的

• String

五、volatile关键字

5.1 volatile可以保证内存可见性

我们上面提到了volatile所修饰的变量能够保证”内存可见性“。

再次引用上面我们在JMM中提到的例子：

import java.util.Scanner;

class Counter {
    public static volatile int count = 0;
    static Object locker = new Object();
    public  void increase() {
        synchronized(Counter.class) {
            count++;
        }
    }
    public void increase2() {
        synchronized (this) {
            count++;
        }
    }
    public  synchronized void increase3() {
        synchronized (this) {
            //.....
        }
    }
}

public class Demo13 {
    static Counter counter = new Counter();
    static Counter counter2 = new Counter();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            while(Counter.count == 0 ) {

            }
            System.out.println("t1线程执行结束");
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            System.out.println("请输入一个int：");
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            Counter.count = scanner.nextInt();
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
//        System.out.println(counter.count);
//        System.out.println(counter2.count);
    }
}

运行结果：

分析：这里给count变量加上了volatile，强制读取了内存（禁止了编译器的优化，避免了直接读取CPU寄存器中缓存的数据，而是每次都重新读取内存），速度是变慢了，但是准确度提高了。

5.2 volatile不可以保证原子性

volatile和synchronized有着本质的区别，synchronized能够保证原子性，volatile保证的是内存可见性。

这里我们把上面count++的例子（利用两个线程，将count从0自增到10w次）：

static class Counter {
    volatile public int count = 0;
    void increase() {
        count++;
    }
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final Counter counter = new Counter();
        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);
}

结论： 可以看出由于volatile无法保证原子性，所以再涉及到count++这类操作（在底层会把自增操作拆分为三个指令）时，无法保证线程安全。