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一起聊聊Java多线程之线程安全问题

时间:2022-04-22 [网络编程]作者:fabuyuan 浏览:8 次

本篇文章给大家带来了关于java的相关知识,其中主要介绍了关于多线程的相关问题,包括了线程安装、线程加锁与线程不安全的原因、线程安全的标准类等等内容,希望对大家有帮助。

推荐学习:《java视频教程

本篇文章介绍的内容为Java多线程中的线程安全问题,此处的安全问题并不是指的像黑客入侵造成的安全问题,线程安全问题是指因多线程抢占式执行而导致程序出现bug的问题。

1.线程安全概述

1.1什么是线程安全问题

首先我们需要明白操作系统中线程的调度是抢占式执行的,或者说是随机的,这就造成线程调度执行时线程的执行顺序是不确定的,有一些代码执行顺序不同不影响程序运行的结果,但也有一些代码执行顺序发生改变了重写的运行结果会受影响,这就造成程序会出现bug,对于多线程并发时会使程序出现bug的代码称作线程不安全的代码,这就是线程安全问题。

下面,将介绍一种典型的线程安全问题实例,整数自增问题。

1.2一个存在线程安全问题的程序

有一天,老师布置了这样一个问题:使用两个线程将变量count自增10万次,每个线程承担5万次的自增任务,变量count的初始值为0
这个问题很简单,最终的结果我们也能够口算出来,答案就是10万。
小明同学做事非常迅速,很快就写出了下面的一段代码:

class Counter {
    private int count;
    public void increase() {
        ++this.count;
    }
    public int getCount() {
        return this.count;
    }}public class Main11 {
    private static final int CNT = 50000;
    private static final Counter counter = new Counter();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < CNT; i++) {
                counter.increase();
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < CNT; j++) {
                counter.increase();
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();

        thread1.join();
        thread2.join();

        System.out.println(counter.getCount());
    }}

按理来说,结果应该是10万,我们来看看运行结果:

运行的结果比10万要小,你可以试着运行该程序你会发现每次运行的结果都不一样,但绝大部分情况,结果都会比预期的值要小,下面我们就来分析分析为什么会这样。

2.线程加锁与线程不安全的原因

2.1案例分析

上面我们使用多线程运行了一个程序,将一个变量值为0的变量自增10万次,但是最终实际结果比我们预期结果要小,原因就是线程调度的顺序是随机的,造成线程间自增的指令集交叉,导致运行时出现两次自增但值只自增一次的情况,所以得到的结果会偏小。

我们知道一次自增操作可以包含以下几条指令:

  1. 将内存中变量的值加载到寄存器,不妨将该操作记为load
  2. 在寄存器中执行自增操作,不妨将该操作记为add
  3. 将寄存器的值保存至内存中,不妨将该操作记为save

我们来画一条时间轴,来总结一下常见的几种情况:

情况1: 线程间指令集,无交叉,运行结果与预期相同,图中寄存器A表示线程1所用的寄存器,寄存器B表示线程2所用的寄存器,后续情况同理。

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: 线程间指令集完全交叉,实际结果低于预期。

根据上面我们所列举的情况,发现线程运行时没有交叉指令的时候运行结果是正常的,但是一旦有了交叉会导致自增操作的结果会少1,综上可以得到一个结论,那就是由于自增操作不是原子性的,多个线程并发执行时很可能会导致执行的指令交叉,导致线程安全问题。

那如何解决上述线程不安全的问题呢?当然有,那就是对对象加锁。

2.2线程加锁

2.2.1什么是加锁

为了解决由于“抢占式执行”所导致的线程安全问题,我们可以对操作的对象进行加锁,当一个线程拿到该对象的锁后,会将该对象锁起来,其他线程如果需要执行该对象的任务时,需要等待该线程运行完该对象的任务后才能执行。

举个例子,假设要你去银行的ATM机存钱或者取款,每台ATM机一般都在一间单独的小房子里面,这个小房子有一扇门一把锁,你进去使用ATM机时,门会自动的锁上,这个时候如果有人要来取款,那它得等你使用完并出来它才能进去使用ATM,那么这里的“你”相当于线程,ATM相当于一个对象,小房子相当于一把锁,其他的人相当于其他的线程。


在java中最常用的加锁操作就是使用synchronized关键字进行加锁。

2.2.2如何加锁

synchronized 会起到互斥效果, 某个线程执行到某个对象的 synchronized 中时, 其他线程如果也执行到同一个对象 synchronized 就会阻塞等待。
线程进入 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

java中的加锁操作可以使用synchronized关键字来实现,它的常见使用方式如下:

方式1: 使用synchronized关键字修饰普通方法,这样会使方法所在的对象加上一把锁。
例如,就以上面自增的程序为例,尝试使用synchronized关键字进行加锁,如下我对increase方法进行了加锁,实际上是对某个对象加锁,此锁的对象就是this,本质上加锁操作就是修改this对象头的标记位。

class Counter {
    private int count;
    synchronized public void increase() {
        ++this.count;
    }
    public int getCount() {
        return this.count;
    }}

多线程自增的main方法如下,后面会以相同的栗子介绍synchronized的其他用法,后面就不在列出这段代码了。

public class Main11 {
    private static final int CNT = 50000;
    private static final Counter counter = new Counter();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < CNT; i++) {
                counter.increase();
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < CNT; j++) {
                counter.increase();
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();

        thread1.join();
        thread2.join();

        System.out.println(counter.getCount());
    }}

看看运行结果:

方式2: 使用synchronized关键字对代码段进行加锁,但是需要显式指定加锁的对象。
例如:

class Counter {
    private int count;
    public void increase() {
        synchronized (this){
            ++this.count;
        }
    }
    public int getCount() {
        return this.count;
    }}

运行结果:

方式3: 使用synchronized关键字修饰静态方法,相当于对当前类的类对象进行加锁。

class Counter {
    private static int count;
    synchronized public static void increase() {
        ++count;
    }
    public int getCount() {
        return this.count;
    }}

运行结果:

常见的用法差不多就是这些,对于线程加锁(线程拿锁),如果两个线程同时拿一个对象的锁,就会产生锁竞争,两个线程同时拿两个不同对象的锁不会产生锁竞争。
对于synchronized这个关键字,它的英文意思是同步,但是同步在计算机中是存在多种意思的,比如在多线程中,这里同步的意思是“互斥”;而在IO或网络编程中同步指的是“异步”,与多线程没有半点的关系。

synchronized 的工作过程:

  1. 获得互斥锁lock
  2. 从主内存拷贝变量的最新副本到工作的内存
  3. 执行代码
  4. 将更改后的共享变量的值刷新到主内存
  5. 释放互斥锁unlock

synchronized 同步块对同一条线程来说是可重入的,不会出现自己把自己锁死的问题,即死锁问题,关于死锁后续文章再做介绍。

综上,synchronized关键字加锁有如下性质:互斥性,刷新内存性,可重入性。

synchronized关键字也相当于一把监视器锁monitor lock,如果不加锁,直接使用wait方法(一种线程等待的方法,后面细说),会抛出非法监视器异常,引发这个异常的原因就是没有加锁。

2.2.3再析案例

对自增那个代码上锁后,我们再来分析一下为什么加上了所就线程安全了,先列代码:

class Counter {
    private int count;
    synchronized public void increase() {
        ++this.count;
    }
    public int getCount() {
        return this.count;
    }}public class Main11 {
    private static final int CNT = 50000;
    private static final Counter counter = new Counter();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < CNT; i++) {
                counter.increase();
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < CNT; j++) {
                counter.increase();
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();

        thread1.join();
        thread2.join();

        System.out.println(counter.getCount());
    }}

多线程并发执行时,上一次就分析过没有指令集交叉就不会出现问题,因此这里我们只讨论指令交叉后,加锁操作是如何保证线程安全的,不妨记加锁为lock,解锁为unlock,两个线程运行过程如下:
线程1首先拿到目标对象的锁,对对象进行加锁,处于lock状态,当线程2来执行自增操作时会发生阻塞,直到线程1的自增操作完毕,处于unlock状态,线程2才会就绪取执行线程2的自增操作。

加锁后线程就是串行执行,与单线程其实没有很大的区别,那多线程是不是没有用了呢?但是对方法加锁后,线程运行该方法才会加锁,运行完该方法就会自动解锁,况且大部分操作并发执行是不会造成线程安全的,只有少部分的修改操作才会有可能导致线程安全问题,因此整体上多线程运行效率还是比单线程高得多。

2.3线程不安全的原因

首先,线程不安全根源是线程间的调度充满随机性,导致原有的逻辑被改变,造成线程不安全,这个问题无法解决,无可奈何。

多个线程针对同一资源进行写(修改)操作,并且针对资源的修改操作不是原子性的,可能会导致线程不安全问题,类似于数据库的事务。

由于编译器的优化,内存可见性无法保证,就是当线程频繁地对同一个变量进行读操作时,会直接从寄存器上读值,不会从内存上读值,这样内存的值修改时,线程就感知不到该变量已经修改,会导致线程安全问题(这是编译器优化的结果,现代的编译器都有类似的优化不止于Java),因为相比于寄存器,从内容中读取数据的效率要小的多,所以编译器会尽可能地在逻辑不变的情况下对代码进行优化,单线程情况下是不会翻车的,但是多线程就不一定了,比如下面一段代码:

import java.util.Scanner;public class Main12 {
    private static int isQuit;
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            while (isQuit == 0) {

            }
            System.out.println("线程thread执行完毕!");
        });
        thread.start();

        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        System.out.println("请输入isQuit的值,不为0线程thread停止执行!");
        isQuit = sc.nextInt();
        System.out.println("main线程执行完毕!");
    }}

运行结果:

我们从运行结果可以知道,输入isQuit后,线程thread没有停止,这就是编译器优化导致线程感知不到内存可见性,从而导致线程不安全。
我们可以使用volatile关键字保证内存可见性。
我们可以使用volatile关键字修饰isQuit来保证内存可见性。

import java.util.Scanner;public class Main12 {
    volatile private static int isQuit;
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            while (isQuit == 0) {

            }
            System.out.println("线程thread执行完毕!");
        });
        thread.start();

        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        System.out.println("请输入isQuit的值,不为0线程thread停止执行!");
        isQuit = sc.nextInt();
        System.out.println("main线程执行完毕!");
    }}

运行结果:

synchronized与volatile关键字的区别:
synchronized关键字能保证原子性,但是是否能够保证内存可见性要看情况(上面这个栗子是不行的),而volatile关键字只能保证内存可见性不能保证原子性。
保证内存可见性就是禁止编译器做出如上的优化而已。

import java.util.Scanner;public class Main12 {
    private static int isQuit;
    //锁对象
    private static final Object lock = new Object();
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(() -> {
                synchronized (lock) {
                    while (isQuit == 0) {

                    }
                    System.out.println("线程thread执行完毕!");
                }
        });
        thread.start();

        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        System.out.println("请输入isQuit的值,不为0线程thread停止执行!");
        isQuit = sc.nextInt();
        System.out.println("main线程执行完毕!");
    }}

运行结果:

编译器优化除了导致内存可见性感知不到的问题,还有指令重排序也会导致线程安全问题,指令重排序也是编译器优化之一,就是编译器会智能地(保证原有逻辑不变的情况下)调整代码执行顺序,从而提高程序运行的效率,单线程没问题,但是多线程可能会翻车,这个原因了解即可。

3.线程安全的标准类

Java 标准库中很多都是线程不安全的。这些类可能会涉及到多线程修改共享数据, 又没有任何加锁措施。例如,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,例如,Vector (不推荐使用),HashTable (不推荐使用),ConcurrentHashMap (推荐),StringBuffer。
还有的虽然没有加锁, 但是不涉及 “修改”, 仍然是线程安全的,例如String。

在线程安全问题中可能你还会遇到JMM模型,在这里补充一下,JMM其实就是把操作系统中的寄存器,缓存和内存重新封装了一下,其中在JMM中寄存器和缓存称为工作内存,内存称为主内存。
其中缓存分为一级缓存L1,二级缓存L2和三级缓存L3,从L1到L3空间越来越大,最大也比内存空间小,最小也比寄存器空间大,访问速度越来越慢,最慢也比内存的访问速度快,最快也没有寄存器访问快。

4.Object类提供的线程等待方法

除了Thread类中的能够实现线程等待的方法,如join,sleep,在Object类中也提供了相关线程等待的方法。

序号方法说明
1public final void wait() throws InterruptedException释放锁并使线程进入WAITING状态
2public final native void wait(long timeout) throws InterruptedException;相比于方法1,多了一个最长等待时间
3public final void wait(long timeout, int nanos) throws InterruptedException相比于方法2,等待的最长时间精度更大
4public final native void notify();唤醒一个WAITING状态的线程,并加锁,搭配wait方法使用
5public final native void notifyAll();唤醒所有处于WAITING状态的线程,并加锁(很可能产生锁竞争),搭配wait方法使用

上面介绍synchronized关键字的时候,如果不对线程加锁会产生非法监视异常,我们来验证一下:

public class TestDemo12 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(5000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("执行完毕!");
        });

        thread.start();
        System.out.println("wait前");
        thread.wait();
        System.out.println("wait后");
    }}

看看运行结果:

果然抛出了一个IllegalMonitorStateException,因为wait方法的执行步骤为:先释放锁,再使线程等待,你现在都没有加锁,那如何释放锁呢?所以会抛出这个异常,但是执行notify是无害的。

wait方法常常搭配notify方法搭配一起使用,前者能够释放锁,使线程等待,后者能获取锁,使线程继续执行,这套组合拳的流程图如下:

现在有两个任务由两个线程执行,假设线程2比线程1先执行,请写出一个多线程程序使任务1在任务2前面完成,其中线程1执行任务1,线程2执行任务2。
这个需求可以使用wait/notify来实现。

class Task{
    public void task(int i) {
        System.out.println("任务" + i + "完成!");
    }}public class WiteNotify {
    //锁对象
    private static final Object lock = new Object();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                Task task1 = new Task();
                task1.task(1);
                //通知线程2线程1的任务完成
                System.out.println("notify前");
                lock.notify();
                System.out.println("notify后");
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                Task task2 = new Task();
                //等待线程1的任务1执行完毕
                System.out.println("wait前");
                try {
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                task2.task(2);
                System.out.println("wait后");
            }
        });
        thread2.start();
        Thread.sleep(10);
        thread1.start();
    }}

运行结果:

推荐学习:《java视频教程》

以上就是一起聊聊Java多线程之线程安全问题的详细内容,更多请关注站长家园其它相关文章!

本文标签:  java

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