线程安全问题之原因及解决方案

淡淡的烟草味﹌ 2024-03-17 11:41 100阅读 0赞

#### 线程安全问题 ####

*  根本原因
 *  代码结构
 *  原子性
 *   *  解决方案：synchronized
 *  内存可见性问题
 *   *  解决方案 volatile
 *  指令重排序问题
 *  wait和notify
 *  判定一个代码是否线程安全，一定要==具体问题具体分析==!!!

## 根本原因 ##

> 根本原因：多线程抢占式执行，随机调度。

## 代码结构 ##

> 代码结构：多个线程同时修改同一个变量。

## 原子性 ##

原子：不可拆分的基本单位

> 如果修改操作是**非原子性**的，出现线程安全问题的概率就比较高。

举个例子：

public class Thread_demo {
        
        static class Counter{
        
            int count=0;
            public void increase(){
        
                count++;
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            final Counter counter=new Counter();
            Thread t1=new Thread(()->{
        
                //count自增1000次
                for (int i = 0; i <1000 ; i++) {
        
                    counter.increase();
                }
            });
            Thread t2=new Thread(()->{
        
                //count自增1000次
                for (int i = 0; i <1000 ; i++) {
        
                    counter.increase();
                }
            });
    
            t1.start();
            t2.start();
            t1.join();
            t2.join();
            System.out.println(counter.count);
        }
    }

运行结果：

"C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\bin\java.exe" "-javaagent:D:\Program Files\IDEA\IntelliJ IDEA Community Edition 2021.3.2\lib\idea_rt.jar=56803:D:\Program Files\IDEA\IntelliJ IDEA Community Edition 2021.3.2\bin" -Dfile.encoding=UTF-8 -classpath "C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\charsets.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\deploy.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\cldrdata.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\dnsns.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\jaccess.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\jfxrt.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\localedata.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\nashorn.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\sunec.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\zipfs.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\javaws.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\jce.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\jfr.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\jfxswt.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\jsse.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\management-agent.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\plugin.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\resources.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\rt.jar;D:\Java\java\untitled\out\production\untitled" Thread_demo
    1673
    
    Process finished with exit code 0

> 需求是两个线程各自自增1000次，预期结果是输出2000，  
> 而实际运行结果是1673，与预期不符。这是典型的线程安全问题。

下面针对 count++ 操作进行分析

> \++操作本质上分为三步：
> 
>  *  先把内存中的值，读取到CPU的寄存器中。（load）
>  *  把CPU寄存器的数值进行+1运算。（add）
>  *  将得到的结果写回到内存中。（save）  
>     这三个操作就是CPU上执行的三个指令

如果是两个线程并发的执行count++，此时就相当于两组 load add save进行执行，由于线程的抢占式执行，导致当前执行到任意一个指令时侯，线程都可能被调度走，cpu让别的线程执行，从而导致结果有差异。

### 解决方案：synchronized ###

通过使用 **synchronized** 关键字来对线程进行**加锁**操作。

> 如果两个线程同时尝试对同一个对象加锁，此时一个能获取锁成功，另一个只能阻塞等待（BLOCKED）,一直阻塞到刚才的线程释放锁（解锁），当前线程才能加锁成功！！

**1.修饰方法**

*  修饰普通方法,相当于针对this加锁  
    ![在这里插入图片描述][41fa7b60b40945efb53935cbbd248d8d.png_pic_center]

Thread t1=new Thread(()->{
        
         //count自增1000次
         for (int i = 0; i <1000 ; i++) {
        
             counter.increase();
         }
     });
     Thread t2=new Thread(()->{
        
         //count自增1000次
         for (int i = 0; i <1000 ; i++) {
        
             counter.increase();
         }
     });

加上关键字后的运行结果：

"C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\bin\java.exe" "-javaagent:D:\Program Files\IDEA\IntelliJ IDEA Community Edition 2021.3.2\lib\idea_rt.jar=55120:D:\Program Files\IDEA\IntelliJ IDEA Community Edition 2021.3.2\bin" -Dfile.encoding=UTF-8 -classpath "C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\charsets.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\deploy.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\cldrdata.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\dnsns.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\jaccess.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\jfxrt.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\localedata.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\nashorn.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\sunec.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\zipfs.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\javaws.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\jce.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\jfr.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\jfxswt.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\jsse.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\management-agent.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\plugin.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\resources.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\rt.jar;D:\Java\java\untitled\out\production\untitled" Thread_demo
    2000
    
    Process finished with exit code 0

> t1执行increase操作时，就针对counter这个对象加上锁了  
> t2执行increase操作时，也尝试对counter加锁，但是由于counter已经被t1占用了，这里的加锁操作就会阻塞

**2.修饰静态代码块**  
修饰静态方法，和修饰一般方法，同理

**3. 修饰代码块**

> **注意**：  
> 修饰普通方法时，锁对象是this  
> 修饰静态代码块时，锁对象是类对象  
> 修饰代码块时，显示/手动指定锁对象

**3.可重入**  
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

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

## 内存可见性问题 ##

> 一个线程针对一个变量进行读取操作，同时另一个线程针对这个变量进行修改，此时读到的值，不一定是修改之后的值，这个读线程没有感知到变量的变化，**归根结底是编译器/jvm在多线程环境下优化时产生了误判。**

举个例子：

public class Thread_demo2 {
        
        static class MyCounter{
        
            int flag=0;
    
        }
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            MyCounter myCounter=new MyCounter();
    
            Thread t1= new Thread(()->{
        
                while (myCounter.flag==0){
        
                    //
                }
                System.out.println("t1循环结束");
            });
            Thread t2=new Thread(()->{
        
                Scanner scanner=new Scanner(System.in);
                System.out.println("请输入一个整数");
                myCounter.flag=scanner.nextInt();
    
            });
    
            t1.start();
            t2.start();
            t1.join();
            t2.join();
    
        }
    }

运行结果

"C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\bin\java.exe" "-javaagent:D:\Program Files\IDEA\IntelliJ IDEA Community Edition 2021.3.2\lib\idea_rt.jar=59250:D:\Program Files\IDEA\IntelliJ IDEA Community Edition 2021.3.2\bin" -Dfile.encoding=UTF-8 -classpath "C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\charsets.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\deploy.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\cldrdata.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\dnsns.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\jaccess.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\jfxrt.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\localedata.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\nashorn.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\sunec.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\zipfs.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\javaws.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\jce.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\jfr.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\jfxswt.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\jsse.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\management-agent.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\plugin.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\resources.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\rt.jar;D:\Java\java\untitled\out\production\untitled" Thread_demo2
    请输入一个整数
    1

> 预期结果是 t2 把 flag 改成非0的值之后，t1 随之结束循环，但实际运行结果与预期不符。

> 下面针对 \*\*while (myCounter.flag==0)\*\*操作进行分析，大概分为两步操作:  
> 1.load,把内存中flag的值，读取到寄存器里  
> 2.cmp,把寄存器的值，和0进行比较，根据比较结果，决定下一步往哪执行

**上述循环执行速度极快，在线程 t2 真正修改 flag 值之前，load得到的结果都相同，又加上 load 操作相比 cmp 操作执行速度慢很多，JVM就判定flag值不会被修改，从而不在真正重复load操作。**

### 解决方案 volatile ###

**用关键字volatile修饰变量**:  
当一个变量被声明为 “volatile” 时，编译器会确保对该变量的读取和写入操作按照严格的顺序进行，以避免出现内存可见性问题。  
如图：

![在这里插入图片描述][46ac2ec0565f4258a9dff352f53cf8c9.png_pic_center]  
加上关键字后的运行结果：

"C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\bin\java.exe" "-javaagent:D:\Program Files\IDEA\IntelliJ IDEA Community Edition 2021.3.2\lib\idea_rt.jar=54891:D:\Program Files\IDEA\IntelliJ IDEA Community Edition 2021.3.2\bin" -Dfile.encoding=UTF-8 -classpath "C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\charsets.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\deploy.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\cldrdata.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\dnsns.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\jaccess.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\jfxrt.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\localedata.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\nashorn.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\sunec.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\zipfs.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\javaws.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\jce.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\jfr.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\jfxswt.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\jsse.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\management-agent.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\plugin.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\resources.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\rt.jar;D:\Java\java\untitled\out\production\untitled" Thread_demo2
    请输入一个整数
    1
    t1循环结束
    
    Process finished with exit code 0

## 指令重排序问题 ##

本质上是编译器优化出现bug.

> 在执行程序时，编译器器可能会对指令的执行顺序进行重新排列，以提高指令级并行性和系统性能。  
> 由于重排序的存在，程序的执行结果可能与源代码的预期结果不一致。

## wait和notify ##

**wait和notify作用**：**针对多个线程执行顺序进行控制**

wait会让调用线程进行阻塞  
通过其他线程的notify进行通知

> wait操作
> 
>  *  先释放锁（**wait操作需要搭配synchronized来使用**）
>  *  进行阻塞等待（WAITING状态）
>  *  收到通知之后，重新尝试获取锁，并且在获取锁后，继续往下执行

> notify操作：
> 
>  *  和wait配对
>  *  **wait的锁对象和notify的锁对象要一致**,否则notify不会有任何效果

举个例子：

public class Thread1 {
        
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            Object object=new Object();
            Thread t1=new Thread(()->{
        
                //这个线程负责进行等待
                System.out.println("t1:wait之前");
    
                try {
        
                    synchronized (object){
        
                        object.wait();
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
        
                    e.printStackTrace();
                }
    
                System.out.println("t2:wait之后");
            });
    
            Thread t2=new Thread(()->{
        
    
                System.out.println("t2:notify之前");
                synchronized (object){
        
                    //notify务必要获取到锁，才能进行通知
                    object.notify();
                }
    
                System.out.println("t2:notify之后");
            });
            t1.start();
            Thread.sleep(500);
            t2.start();
        }
    }

运行结果：

"C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\bin\java.exe" "-javaagent:D:\Program Files\IDEA\IntelliJ IDEA Community Edition 2021.3.2\lib\idea_rt.jar=55923:D:\Program Files\IDEA\IntelliJ IDEA Community Edition 2021.3.2\bin" -Dfile.encoding=UTF-8 -classpath "C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\charsets.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\deploy.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\cldrdata.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\dnsns.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\jaccess.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\jfxrt.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\localedata.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\nashorn.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\sunec.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\ext\zipfs.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\javaws.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\jce.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\jfr.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\jfxswt.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\jsse.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\management-agent.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\plugin.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\resources.jar;C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_192\jre\lib\rt.jar;D:\Java\java\untitled\out\production\untitled" Thread1
    t1:wait之前
    t2:notify之前
    t2:notify之后
    t2:wait之后
    
    Process finished with exit code 0

**wait的锁对象和notify的锁对象要一致**,

如下图：  
![在这里插入图片描述][4e53fe137c8048b183cb9408926069bf.png]

> notify 方法用于唤醒正在等待同一个对象锁的一个线程。  
> 如果有多个线程在等待，那么只有其中一个线程会被唤醒，具体唤醒哪个线程是不确定的。而 notifyAll 方法则会唤醒所有等待的线程。

## 判定一个代码是否线程安全，一定要具体问题具体分析!!! ##

[41fa7b60b40945efb53935cbbd248d8d.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/fe42b2902d4040018d2e2c9e7f369583.png
[46ac2ec0565f4258a9dff352f53cf8c9.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/186e3d93c5c64a179baaa04a3908e827.png
[4e53fe137c8048b183cb9408926069bf.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/811d1ed9f99e440cbffdc296a8a92d96.png