Java并發(fā)編程：線程安全

作者：寫bug的高哈哈 2025-02-19 00:05:18

通俗地說(shuō)，無(wú)論有多少線程訪問(wèn)業(yè)務(wù)中的一個(gè)對(duì)象或方法，在編寫這段業(yè)務(wù)邏輯時(shí)，無(wú)需做任何額外處理（即可以像單線程程序一樣編寫），程序也能正常運(yùn)行（不會(huì)因多線程而失敗），這樣的代碼就可以稱為線程安全的。

1. 什么是線程安全？

《Java 并發(fā)編程實(shí)戰(zhàn)》的作者 Brian Goetz 對(duì)線程安全的理解是：當(dāng)多個(gè)線程訪問(wèn)一個(gè)對(duì)象時(shí)，如果不需要考慮這些線程在運(yùn)行時(shí)環(huán)境中的調(diào)度和交替執(zhí)行，也不需要額外的同步，調(diào)用這個(gè)對(duì)象的行為都能獲得正確的結(jié)果，那么這個(gè)對(duì)象就是線程安全的。

2. 什么是線程不安全？

當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)一個(gè)對(duì)象時(shí)，如果某個(gè)線程正在更新對(duì)象的值，而另一個(gè)線程同時(shí)讀取該對(duì)象的值，就可能導(dǎo)致獲取到錯(cuò)誤的值。這種情況下，我們需要采取額外措施（例如使用synchronized關(guān)鍵字同步這部分代碼的執(zhí)行）來(lái)確保結(jié)果的正確性。

3. 為什么不是所有程序都設(shè)計(jì)成線程安全的？

主要是出于程序性能、設(shè)計(jì)復(fù)雜度成本等方面的考量。

4. 線程安全問(wèn)題的分類

4.1 運(yùn)行結(jié)果錯(cuò)誤

首先來(lái)看多線程同時(shí)操作一個(gè)變量如何導(dǎo)致運(yùn)行結(jié)果錯(cuò)誤。

假設(shè)用兩個(gè)線程對(duì)count變量進(jìn)行計(jì)數(shù)，每個(gè)線程各計(jì) 10000 次：

public class ResultError {
    static int count;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Runnable runnable = () -> {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                count++;
            }
        };
        Thread thread1 = new Thread(runnable);

Thread thread2 = new Thread(runnable);
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread2.join();
        System.out.println(count);
    }
}

輸出：

圖片

理論上結(jié)果應(yīng)為 20000，但實(shí)際輸出遠(yuǎn)小于理論值，且每次結(jié)果不同。為什么會(huì)這樣？

這是因?yàn)槎嗑€程下，CPU 的調(diào)度是以時(shí)間片為單位分配的，每個(gè)線程獲得一定時(shí)間片后，若時(shí)間片耗盡會(huì)被掛起并讓出 CPU 資源給其他線程，這可能導(dǎo)致線程安全問(wèn)題。例如，i++看似一行代碼，實(shí)際并非原子操作，其執(zhí)行步驟主要分為三步，且每一步操作之間可能被中斷：

讀取當(dāng)前值；
遞增；
保存結(jié)果。

圖片

假設(shè)線程 1 先讀取count=1，隨后執(zhí)行count + 1操作，但此時(shí)結(jié)果尚未保存，線程 1 被切換。CPU 開(kāi)始執(zhí)行線程 2，其操作與線程 1 相同。但此時(shí)線程 2 讀取的count值是多少？由于線程 1 的+1操作未保存結(jié)果，線程 2 讀取的仍然是count=1。

假設(shè)線程 2 執(zhí)行count + 1后保存結(jié)果為 2，隨后線程 1 恢復(fù)執(zhí)行，保存其計(jì)算結(jié)果為 2。雖然兩個(gè)線程各執(zhí)行了一次+1，但最終count結(jié)果為 2 而非預(yù)期的 3。這就是典型的線程安全問(wèn)題，此時(shí)count變量被稱為共享變量或共享數(shù)據(jù)。

如何解決？

解決此類問(wèn)題需要一種機(jī)制：當(dāng)多個(gè)線程操作共享變量時(shí)，確保同一時(shí)刻僅有一個(gè)線程能操作該變量，其他線程必須等待當(dāng)前線程處理完成。這種方法使用互斥鎖（Mutex Lock）實(shí)現(xiàn)互斥訪問(wèn)——當(dāng)共享數(shù)據(jù)被當(dāng)前線程加鎖時(shí)，其他線程只能等待鎖釋放。

Java 中，用synchronized關(guān)鍵字修飾的方法或代碼塊可以保證同一時(shí)刻僅有一個(gè)線程執(zhí)行。代碼如下：

public class ResultErrorResolution {
    staticint count;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Runnable runnable = () -> {
            synchronized (ResultErrorResolution.class) {
                for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                    count++;
                }
            }
        };
        Thread thread1 = new Thread(runnable);
        Thread thread2 = new Thread(runnable);
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread2.join();
        System.out.println(count);
    }
}

輸出：

輸出結(jié)果與預(yù)期一致??。

關(guān)于synchronized關(guān)鍵字，后續(xù)章節(jié)會(huì)詳細(xì)講解。目前只需知道它能保證同一時(shí)刻最多一個(gè)線程執(zhí)行該代碼段（需持有對(duì)應(yīng)的鎖，本例中為ResultErrorResolution.class），從而實(shí)現(xiàn)并發(fā)安全。

4.2 線程活躍性問(wèn)題

第二類線程安全問(wèn)題統(tǒng)稱為活躍性問(wèn)題。活躍性問(wèn)題指程序無(wú)法獲得運(yùn)行的最終結(jié)果。相比前文的錯(cuò)誤，活躍性問(wèn)題的后果可能更嚴(yán)重，例如死鎖會(huì)導(dǎo)致程序完全卡死。

典型的活躍性問(wèn)題包括死鎖（Deadlock）、活鎖（Livelock）和饑餓（Starvation）。由于內(nèi)容較多，后續(xù)會(huì)單獨(dú)寫篇文章介紹。

4.3 對(duì)象初始化時(shí)的安全問(wèn)題

最后是對(duì)象初始化過(guò)程中引發(fā)的線程安全問(wèn)題。創(chuàng)建對(duì)象以供其他類或?qū)ο笫褂檬浅Ｒ?jiàn)操作，但若時(shí)機(jī)或錯(cuò)誤可能導(dǎo)致線程安全問(wèn)題。

看一個(gè)例子：

public class InitError {
    private Map<Long, String> students;

    public InitError() {
        new Thread(() -> {
            students = new HashMap<>();
            students.put(1L, "Tom");
            students.put(2L, "Bob");
            students.put(3L, "Victor");
        }).start();
    }

    public Map<Long, String> getStudents() {
        return students;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        InitError initError = new InitError();
        System.out.println(initError.getStudents().get(1L));
    }
}

此例中，成員變量students在構(gòu)造函數(shù)的子線程中初始化。但主線程在初始化InitError后未等待子線程完成，直接嘗試獲取數(shù)據(jù)，導(dǎo)致問(wèn)題：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    InitError initError = new InitError();
    System.out.println(initError.getStudents().get(1L));
}

運(yùn)行結(jié)果：

Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
    at concurrency.chapter10.InitError.main(InitError.java:25)

原因：

students在構(gòu)造函數(shù)的新線程中初始化，而主線程未等待該線程完成就直接調(diào)用getStudents()，此時(shí)students可能尚未初始化（返回null），導(dǎo)致空指針異常。

5. 哪些場(chǎng)景需特別注意線程安全問(wèn)題？

5.1 訪問(wèn)共享變量或資源

當(dāng)訪問(wèn)靜態(tài)變量、共享緩存等共享資源時(shí)，若多線程同時(shí)操作（如count++），需確保原子性。例如以下“檢查后執(zhí)行”操作可能被中斷：

if (count == 10) {
    count = count * 10;
}

多個(gè)線程可能同時(shí)滿足count == 10，導(dǎo)致多次執(zhí)行count = count * 10，需通過(guò)加鎖保證原子性。

5.2 數(shù)據(jù)間存在綁定關(guān)系

當(dāng)不同數(shù)據(jù)成組出現(xiàn)且需保持對(duì)應(yīng)關(guān)系時(shí)（如 IP 和端口號(hào)），若修改未綁定為一個(gè)原子操作，可能導(dǎo)致信息不一致。例如僅修改 IP 而未同步修改端口號(hào)，接收方可能獲取錯(cuò)誤的綁定結(jié)果。