多线程初阶——线程安全

线程安全

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1.什么是线程安全

场景：用两个线程同时对一个变量进行5万次自增操作，预期结果是自增10万次。

public class demo1 {
    private static int num=50000;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Counter counter = new Counter();
        Thread t1=new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < num; i++) {
                counter.increase();
            }
        });
        Thread t2=new Thread(()->{
            for (int i = 0; i < num; i++) {
                counter.increase();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(counter.count);
    }
}
class Counter{
    public int count =0;
    public  void increase(){
        count++;
    }
}

结果如下

和我们预期的结果10000不一样，因此这种现象称为线程不安全。

2.为什么会造成线程不安全

2.1线程抢占式的执行

我们知道线程的执行顺序并不是我们代码中的顺序执行的，抢占式执行是造成线程不安全的主要原因。

2.2 多个线程修改同一变量

当多个线程对同一个变量修改时由于线程的执行是抢占式的，因此导致了线程不安全

2.3 原子性

当我们在要执行自增操作时，count在CPU中通过指令进行自增

1. 从内存或者寄存器中把count读出来 LOAD
2. 执行自增操作 ADD
3. 将计算结果写回内存或寄存器 **STORE **

当指令的执行按着以下的顺序执行时，保证了线程的原子性，这时我们就能得到我们预期的结果

当时当执行顺序出现了下面的情况时，还能得到我们预期的结果吗

这时的在CPU中的count的变化如下

指令执行前 count=0；

1. t2获取count的值 count=0
2. t1获取count的值 count=0
3. t2进行ADD指令 count=1
4. t1进行ADD指令 count=1
5. t2写回count 的值
6. t1写回count 的值

看似count在两个线程中分别进行了自增的操作，实际上在内存中的count只进行了一次自增操作(t2 最后将count的值写回内存后，t1再次将count的值写回到的内存，并覆盖了t2返回的值)。

2.4内存可见性

这里我们介绍一下JMM(Java Memory Model) Java内存模型

这里的主内存是Java虚拟机中的内存。

在JMM中每一个工作内存都是独立的，相互之间不可以访问

而内存可见性就是保证当一个线程改变了一个变量的值时，其他线程也能感知到变量的值发生了变化

因此JMM规定了

1. 所有线程不能直接修改主内存中的共享变量
2. 如果要修改内存中的变量，就需要把这个变量从主内存中复制到自己的工作内存中，修改完后再将数据刷新回主内存中
3. 各个线程之间不能相互通信，做到内存级别的线程隔离

2.5 指令重排序

指令重排序，调整了代码的执行顺序，提高了代码的运行效率，在单线程中指令重排序对其没有影响，但由于多线程的执行顺序是抢占式的，代码执行顺序的调整，会出现难以预料的结果。

因此指令发生重排序的条件是

1. 结果必须正确
2. 重排序的操作逻辑上互不相干

总结

线程安全产生的原因

1. 线程在CPU上是抢占式执行，抢占CPU资源是没有顺序的(程序猿无法处理)
2. 多个线程修改了同一变量的值
3. 指令执行没有保证原子性
4. 修改变量时没有保证内存可见性
5. 程序在编译时，可能会存在指令重排序

3.如何解决线程安全问题

要想解决线程安全问题，最最主要的是将线程的执行变为原子操作

那么该如何解决呢？这时我们就要进行加锁操作。

如上图当多个线程中的一个线程在执行自增操作时，自增之前进行加锁，自增操作结束后，进行解锁。使其他线程无法对count进行操作，让其他线程处于阻塞状态。

Java中加锁操作，需要用到synchronized关键字

class Counter2{
    public int count =0;
    public synchronized void increase(){
        count++;
    }
}

加锁以后，其他线程就处于阻塞状态，这时程序由并行变成了串行，而大大的降低了运行效率，但是保证了线程安全。

这时我们就能很好的理解在学习String时，StringBuilder和StringBuffr的区别了。

对于synchronized关键字，我们下回分析。