什么是线程安全和线程不安全

超、凢脫俗 2023-02-25 02:21 31阅读 0赞

# 引入 #

当有多个线程共享同样的内存时：

1.  如果

*  线程不会对内存进行读取和修改
 *  内存是只读的
 *  多个进程对这个内存进行修改，但是写是原子操作时

那么线程是安全的

1.  当一个线程修改变量时，其他线程在读取这个变量时可能看到一个不一致的值

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我们需要使用锁来同步线程：同一时间只允许一个线程访问该变量  
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1.  当多个线程试图在同一时间修改同一变量时，因为修改通常不是一步到位的：

*  从内存中读入寄存器
 *  在寄存器中修改变量
 *  将新值写回内存

这个时候可能出现数据不一致，导致程序错误  
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>  *  线程安全：指的是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，不存在执行线程时出现意外结果
>  *  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。

# 有哪些问题可能导致线程不安全呢？ #

可能导致并发问题的原因：

*  中断：假如有一段代码正在执行，如果发生了一个中断（中断是随机发生的），这份代码重新排队等待下一次调度。下一次调度重新运行当前代码段时（接着上次没有运行完的开始运行）共享内存可能被其他线程修改过了
 *  睡眠：假如有一段代码正在执行，如果源码中sleep了，这份代码重新排队等待下一次调度。下一次调度重新运行当前代码段时（接着上次没有运行完的开始运行）共享内存可能被其他线程修改过了
 *  同步：假如有一段代码正在执行，如果源码中想要获取获取一个互斥锁(等等)，但是这个锁已经被占用了，这个时候代码就会重新排队等待下一次调度。下一次调度重新当前代码段时共享内存（接着上次没有运行完的开始运行）可能被其他线程修改过了
 *  对称多处理(SMP)： SMP的多个CPU可以同时执行一段代码
 *  抢占式内核： 现在linux是抢占式内核，所以内核中的任务可能被另一个任务抢占，下一次调度重新运行当前代码段时（接着上次没有运行完的开始运行）共享内存可能被其他线程修改过

> 对称多处理技术:多个CPU之间没有区别，平等地访问内存、外设、一个操作系统。操作系统管理着一个队列，每个处理器依次处理队列中的进程

# 究竟什么是线程安全 #

线程安全是编程中的术语，指某个函数、函数库在**并发**环境中被调用时，能够正确的处理**多个线程**之间的**共享变量**，使程序功能正确完成。

我们把这个定义拆解一下，我们需要弄清楚这么几点： 1、并发 2、多线程/多进程 3、共享变量

## 并发 ##

> 什么是并发

并发(Concurrent)，在操作系统中，是指一个时间段中有几个程序都处于已启动运行到运行完毕之间，而且这几个程序都是在同一个处理及上运行。

> 那么操作系统是如何实现这种并发的呢？

现在我们用到的操作系统，无论是windows还是linux都是多用户多任务分时操作系统。使用这些操作系统的用户是可以"同时"干多件事的。

但是实际上，对于单CPU的计算机来说，在CPU中，同一时间是只能干一件事儿的。为了看起来像是“同时干多件事”，分时操作系统是把CPU的时间划分成长短基本相同的时间区间,即”时间片”，通过操作系统的管理，把这些时间片依次轮流地分配给各个用户使用。

如果某个作业在时间片结束之前,整个任务还没有完成，那么该作业就被暂停下来,放弃CPU，等待下一轮循环再继续做.此时CPU又分配给另一个作业去使用。

由于计算机的处理速度很快，只要时间片的间隔取得适当,那么一个用户作业从用完分配给它的一个时间片到获得下一个CPU时间片，中间有所”停顿”，但用户察觉不出来,好像整个系统全由它”独占”似的。

所以，在单CPU的计算机中，我们看起来“同时干多件事”，其实是通过CPU时间片技术，并发完成的。

提到并发，还有另外一个词容易和他混淆，那就是并行。

ps： **并发与并行之间的关系**  
并行（Parallel），当系统有一个以上CPU时，当一个CPU执行一个进程时，另一个CPU可以执行另一个进程，两个进程互不抢占CPU资源，可以同时进行，这种方式我们称之为并行(Parallel)。

**并发是两个队伍交替使用一台咖啡机。并行是两个队伍同时使用两台咖啡机。**

## 多线程 ##

> 什么是多线程

理解了并发和并行之间的关系和区别后，我们再回到前面介绍的多任务分时操作系统，看看CPU是如何进行进程调度的。

为了看起来像是“同时干多件事”，分时操作系统是把CPU的时间划分成长短基本相同的”时间片”，通过操作系统的管理，把这些时间片依次轮流地分配给各个用户的各个任务使用。

在多任务处理系统中，CPU需要处理所有程序的操作，当用户来回切换它们时，需要记录这些程序执行到哪里。在操作系统中，CPU切换到另一个进程/线程需要保存当前进程的状态并恢复另一个进程的状态：当前运行任务转为就绪（或者挂起、删除）状态，另一个被选定的就绪任务成为当前任务。上下文切换就是这样一个过程，他允许CPU记录并恢复各种正在运行程序的状态，使它能够完成切换操作。

> 在上下文切换过程中，CPU会停止处理当前运行的程序，并保存当前程序运行的具体位置以便之后继续运行。从这个角度来看，上下文切换有点像我们同时阅读几本书，在来回切换书本的同时我们需要记住每本书当前读到的页码。在程序中，上下文切换过程中的“页码”信息是保存在进程控制块（PCB）中的。PCB还经常被称作“切换帧”（switchframe）。“页码”信息会一直保存到CPU的内存中，直到他们被再次使用。

对于操作系统来说，一个任务就是一个进程（Process），比如打开一个浏览器就是启动一个浏览器进程，打开一个记事本就启动了一个记事本进程，打开两个记事本就启动了两个记事本进程，打开一个Word就启动了一个Word进程。

而在多个进程之间切换的时候，需要进行上下文切换。但是上下文切换势必会耗费一些资源。于是人们考虑，能不能在一个进程中增加一些“子任务”，这样减少上下文切换的成本。比如我们使用Word的时候，它可以同时进行打字、拼写检查、字数统计等，这些子任务之间共用同一个进程资源，但是他们之间的切换不需要进行上下文切换。

在一个进程内部，要同时干多件事，就需要同时运行多个“子任务”，我们把进程内的这些“子任务”称为线程（Thread）。

随着时间的慢慢发展，人们进一步的切分了进程和线程之间的职责。把进程当做资源分配的基本单元，把线程当做执行的基本单元，同一个进程的多个线程之间共享资源

## 共享变量 ##

> 什么是共享变量

所谓共享变量，指的是多个线程都可以操作的变量。

前面我们提到过，进程视分配资源的基本单位，线程是执行的基本单位。所以，多个线程之间是可以共享一部分进程中的数据的。在JVM中，Java堆和方法区的区域是多个线程共享的数据区域。也就是说，多个线程可以操作保存在堆或者方法区中的同一个数据。那么，换句话说，保存在堆和方法区中的变量就是Java中的共享变量。

> 那么，Java中哪些变量是存放在堆中，哪些变量是存放在方法区中，又有哪些变量是存放在栈中的呢？

Java中共有三种变量，分别是类变量、成员变量和局部变量。他们分别存放在JVM的方法区、堆内存和栈内存中。

/**
     * @author Hollis
     */
    public class Variables {
        
    
        /**
         * 类变量
         */
        private static int a;
    
        /**
         * 成员变量
         */
        private int b;
    
        /**
         * 局部变量
         * @param c
         */
        public void test(int c){
        
            int d;
        }
    }

上面定义的三个变量中，变量a就是类变量，变量b就是成员变量，而变量c和d是局部变量。

所以，变量a和b是共享变量，变量c和d是非共享变量。所以如果遇到多线程场景，对于变量a和b的操作是需要考虑线程安全的，而对于线程c和d的操作是不需要考虑线程安全的。

*  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。

> 在共享变量的前提下， 如何保证线程安全呢

**确保同一时间只有一个线程能够访问共享资源**

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