java中的线程安全

什么是线程安全

 

线程安全问题在各种编程语言中都存在，需要首先申明的是：本文做所指的线程安全都是基于java语言展开讨论的。在定义“什么是线程安全”之前，首先来看下进程、线程和多线程。

 

进程：（百度百科的定义）是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。

 

这个定义理解起来比较抽象，在java中可以简单的理解为启动一个jvm实例就是启动一个进程，上述定义中的“某数据集合”可以理解为jvm对内存的分配，jvm内存结构分为：方法区、java堆区、栈区（vm栈和本地方法栈）、程序计数器（更多关于jvm的内存结构可以参考这里）。

 

线程：是程序执行流的最小单元。jvm内存结构中的vm栈、本地方法栈、程序计数器是属于线程私有数据，在开启一个线程后会为其开辟一个固定的大小的私有内存空间，线程结束时系统会自动回收这部分内存。本地方法栈和程序计数器，在我们平时开发中很少接触到，但我们平时开发的每个方法中定义的每个临时变量、方法参数都会被放到“vm栈”。

 

多线程：为了充分利用cpu，在一个进程中一般会开多个线程，cpu在多个线程之间切换执行，并行的执行多个任务。公共的数据会放到方法区和java堆区，所有线程都可以共享这些数据，可以称之为公共内存空间。多个线程之间如果需要协作，就需要多个线程访问同一份数据，一般就会把这些数据放到“堆区”(对象)或者方法区 常量池中（静态变量），通过在“vm栈”中定义局部变量指向这些公共数据的内存地址，实现多个线程之间的数据共享：

 

 

多个线程操作同一份数据，势必会导致数据的一致性问题，比如下面代码展示的场景：

 

public class Main{
    public static int i=0;//计数器
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        for (int j=0;j<10000;j++){//启动1000个线程执行 i++
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        Thread.sleep(1);//增加并发
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    i++;
                }
            });
 
            thread.start();
        }
        Thread.sleep(2000);//延迟2秒打印，确保10000个线程已经执行完成
        System.out.println(i);
    }
}
 

 

 

本示例模拟一个计数器：启动10000个线程，对i并行执行++操作。你期望的结果是10000，但是每次执行的结果都有可能不一致，这其实就是多线程环境下“线程安全”问题。

 

讲了这么多，才引出什么是“线程安全”：如果多线程并发访问同一份数据，最终这份数据都会出现相同的结果，就是线程安全的。反之就是线程不安全。

 

核心：

1、多线程：多线程才会有线程安全问题，单线程环境下无所谓“线程安全”。

2、并发：是指多个线程以一定的顺序并发访问，才会出现线程不安全问题。

3、访问：这里的访问，指的是有修改和查询公共数据。如果只是查询不会出现“线程安全”问题。

3、同一份数据：一般是一个对象的成员变量，或者类变量（静态常量）。

 

通过第2点，可以看出只有在并发访问的情况下会引起“线程安全”问题，解决“线程安全”问题的根本办法就是把“并行”，改“串行”，用it术语来说就是“加锁”。在java中可以通过synchronized关键字和Lock(jdk1.5以后)，最近阅读同事的代码发现大家对synchronized用法还是没分清，以为只要把synchronized加在方法上就可以了，本次只针对synchronized关键字进行讲解。

 

synchronized关键字用法

 

synchronized加锁本质上是锁对象，在java中的每个对象都可以作为锁，称为内置锁。当线程进入方法或者代码块时，首先获得该对象的锁，如果获取到就执行方法或者代码块（如果没有获取到锁，该线程会暂停执行，进入一个等待队列等待再次获得锁），执行结束后释放该对象锁，其他线程可以继续获得该锁继续执行。通过这种方式，可以保证方法或者代码块在多线程环境下“串行”执行。synchronized可以修饰静态方法、非静态方法、代码块，这三种情况的加锁控制粒度依次越来越细，下面分别介绍具体特性和使用场景。

 

synchronized修饰静态方法：这时加锁的方式是“类锁”，锁对象是该类的class对象，class对象在同一个类加载器下是唯一的，也就是说这锁是唯一。表现的特征为：同一个类中所有被synchronized修饰静态的方法，在多线程执行这些方法时获取的是同一把锁。

 

下面来看一个synchronized修饰静态方法的示例，本示例模拟统计任意时刻同时执行doBusiness业务方法的并发数（在实际项目方法监控中通常都会用到）。实现的逻辑很简单，在进入doBusiness方法前，对计数器+1，在doBusiness方法执行完成后，对计数器-1：

 

public class StaticMethod {
    public static int i=0;//计数器
 
    public synchronized static void plus(){//获取StaticMethod.class 对象锁
        i++;
    }
 
    public synchronized static void minus (){//获取StaticMethod.class 对象锁
        i--;
    }
 
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        for(int j=0;j<1000;j++){
            final int threadNum = j;
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {//该方法可以用于模拟计算同时执行doBusiness()方法的并发数
                    plus();//进入业务方法前，先+1
                    doBusiness(threadNum);
                    minus();//退出业务方法，再-1
                }
 
                private void doBusiness(int threadNum){
                    try {
                        Thread.sleep(100);//模拟业务方法执行
                        //System.out.println("线程"+threadNum+"执行完成");
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });
            thread.start();
        }
        System.out.println("当前doBusiness方法并发数:" + i);
        Thread.sleep(2000);//等待所有的线程执行完成
        System.out.println("当前doBusiness方法并发数（应该为0）:" + i);
 
    }
}
 

 

 

这里对plus()和minus()静态方法使用了synchronized修饰，当执行plus()方法时需要获取StaticMethod.class对象锁 然后释放，再执行minus()方法时又需要重新获取StaticMethod.class对象锁。可以理解成多个方法的执行都变成了串行。执行mian方法，打印结果为：

 

当前doBusiness方法并发数:282
当前doBusiness方法并发数（应该为0）:0

 

 

执行过程示意图：

 

 

如果把plus()和minus()方法前的synchronized去掉，再次执行，就出现了线程安全问题：所有线程执行完成，最后计数器的打印值应该为0，但实际上很次都不同，还可能为负数：

 

当前doBusiness方法并发数:869
当前doBusiness方法并发数（应该为0）:1

 

 

在静态方法方法上加锁使用起来很简单，但它会锁住整个类对象，该类的所有synchronized的静态方法都变为串行，消耗资源严重。需根据具体情况谨慎使用。

 

synchronized修饰非静态方法：这时锁住的是该类对应的具体的某个实例对象。也就是说同一个类的多个对象之间会有多把锁，可以并行执行互不干扰，具备一定的并发性。比如，下面的示例中，分别统计了在对象锁nonStaticMethod1、nonStaticMethod2情况下 doBusiness方法的并发数，在某一个时刻要统计两个doBusiness的总并发数，需要把两个对象的计数器i相加。这种控制粒度更细，在需要分别统计doBusiness多个调用方分别引起的并发数时 使用（同样运用于方法监控）：

 

public class NonStaticMethod {
 
    public int i=0;//计数器
 
    public synchronized void plus(){//获取StaticMethod.class 对象锁
        i++;
    }
 
    public synchronized void minus(){//获取StaticMethod.class 对象锁
        i--;
    }
 
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        NonStaticMethod nonStaticMethod1 = new NonStaticMethod();
        for(int j=0;j<1000;j++){
            Thread thread = new Thread(new Business(nonStaticMethod1,j));
            thread.start();
        }
 
        NonStaticMethod nonStaticMethod2 = new NonStaticMethod();
        for(int j=0;j<1000;j++){
            Thread thread = new Thread(new Business(nonStaticMethod2,j));
            thread.start();
        }
 
        System.out.println("nonStaticMethod1对象锁环境下 doBusiness方法并发数:" + nonStaticMethod1.i);
        System.out.println("nonStaticMethod2对象锁环境下 doBusiness方法并发数:" + nonStaticMethod2.i);
        Thread.sleep(2000);//等待所有的线程执行完成
        System.out.println("nonStaticMethod1对象锁环境下 doBusiness方法并发数（应该为0）:" + nonStaticMethod1.i);
        System.out.println("nonStaticMethod2对象锁环境下 doBusiness方法并发数（应该为0）:" + nonStaticMethod2.i);
 
    }
 
 
}
 
class Business implements Runnable{
    private NonStaticMethod nonStaticMethod;
    private int threadNum;
 
    public Business(NonStaticMethod nonStaticMethod, int threadNum) {
        this.nonStaticMethod = nonStaticMethod;
        this.threadNum = threadNum;
    }
 
    @Override
    public void run() {//该方法可以用于模拟计算同时执行doBusiness()方法的并发数
        nonStaticMethod.plus();//进入业务方法前，先+1
        doBusiness(threadNum);
        nonStaticMethod.minus();//退出业务方法，再-1
    }
 
    //业务方法
    private void doBusiness(int threadNum){
        try {
            Thread.sleep(100);//模拟业务方法执行
            //System.out.println("线程"+threadNum+"执行完成");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
 

 

 

需要再次强调的是，在类的非静态方法上加synchronized修饰（本示例中的plus()和minus方法），只能保证在这个类的某一个具体对象上串行执行这些方法，多个对象之间是并行的。这种方式的控制粒度比在静态方法上使用synchronized修饰更细，性能消耗相对较小。可以根据业务具体场景使用。运行 上述示例代码，执行结果如下:

 

nonStaticMethod1对象锁环境下 doBusiness方法并发数:350
nonStaticMethod2对象锁环境下 doBusiness方法并发数:875
nonStaticMethod1对象锁环境下 doBusiness方法并发数（应该为0）:0
nonStaticMethod2对象锁环境下 doBusiness方法并发数（应该为0）:0

 

 

其中前两个数字表示 此刻分别在nonStaticMethod1、nonStaticMethod2对象锁环境下的并发数。后面两个数字表示所有线程执行完成的情况下，当前的并发数，理论上是0（因为所有线程都执行完成了），如果这个数字为非0，说明程序有线程安全问题。

 

代码执行示意图：

 

 

 

synchronized修饰代码块：这种方式比修饰方法的粒度更细，在一个方法中一般会有多个操作，而会出现线程安全的地方往往只有少量代码，这时只需要对这块代码进行加锁，在多线程环境下执行这个方法只有这块代码串行执行，该方法的其他部分可以并行执行。这种方式可以最大限度的减少“串行”，性能相对前两种方式无疑是最高的。但难点就在于找到“线程安全”点（也称为“竞争条件”），一般都是查询或修改公共数据部分。如果使用不当，遗漏部分“竞争条件”，就会引起“线程安全”问题。

 

另外 synchronized修饰代码块 也分为“类锁”和“对象锁”，如果业务期望访问该代码块的所有线程都“串行”，可以使用该类的类锁，用法如下：

 

public void doBusiness(){
        //并行执行区域
        synchronized (StaticMethod.class){
            //所有线程到这里都串行
        }
        //并行执行区域
}
 

 

 

如果业务期望在同一个对象锁内“串行”，多个对象锁之间“串行”，可以创建多个对象锁，并作为方法的参数传入到代码块，用法如下：

 

public void doBusiness(Object lock){
        //并行执行区域
        synchronized (lock){
            //锁对象下串行执行区域，多个锁之间串行执行
        }
        //并行执行区域
    }
 

 

 

回到文章开头，我们可以使用类锁，来消除线程安全问题，代码调整如下：

public class Main{
    public static int i=0;//计数器
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        for (int j=0;j<10000;j++){//启动1000个线程执行 i++
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        Thread.sleep(1);//增加并发
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                    synchronized (Main.class){
                        i++;
                    }
                }
            });
            thread.start();
        }
        Thread.sleep(2000);//延迟2秒打印，确保10000个线程已经执行完成
        System.out.println(i);
    }
}

 

多次执行main方法，打印结果信息是一致的，如下：

10000

 

总结 

 

文章一开始说明了什么是“线程安全”（或者“线程安全问题”）。并详细讲解了如果使用synchronized来消除“线程安全问题”。

 

synchronized的作用就是通过把“并行”改“串行”来消除“线程安全”问题。但是我们都知道“串行”是性能最低的方式，也就是说要做到“线程安全”是需要代价的。我们可以根据具体场景不同，灵活使用 静态方法同步、非静态方法同步、代码块同步 尽量降低这个代价。

 

除了synchronized可以解决线程安全问题，当然还有其他方式 比如：

使用java api中的原子操作api(AtomicInteger等)；

使用java 1.5以后的Lock(新锁)；

消除多线程中的竞争条件：把读取或修改公共数据操作改为读取线程私有数据（ThreadLocal）、局部变量；

在某些情况下可以使用volatile代替加锁方式，性能比加锁更优越。

 

原子操作api 和 ThreadLocal 前面已经总结过了（分别可以点击这里 和这里），后面抽时间再聊下volatile和Lock(新锁)。

 

出处：

http://moon-walker.iteye.com/blog/2401457

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1 楼 LD_21 2017-11-30