常见的线程安全问题及解决

Ting-yu2023-12-03 21:49

1. 什么是线程安全

线程安全指的是当多个线程同时访问一个共享的资源时，不会出现不确定的结果。这意味着无论并发线程的调度顺序如何，程序都能够按照设计的预期来运行，而不会产生竞态条件（race condition）或其他并发问题。

请看如下代码：

我们用两个线程分别让count++ 5w次，最后我们打印count，理论得到的结果是10w

java 复制代码 
public class ThreadDemo13 {
    public static int count = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for(int i = 0; i < 50000; i++) {
                count++;
            }
        });
        
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for(int i = 0; i < 50000; i++) {
                count++;
            }
        });
        
        t1.start();
        t2.start();
        
        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("count = " + count);
    }
}

运行代码:

我们发现结果与我们预期的并不相同。

其实 count++ 是由三个cpu指令来完成的

  • load 从内存中读取数据到cpu寄存器
  • add 把寄存器中的值 +1
  • save 把寄存器中的值写回到内存中

由于线程之间是并发执行的，每个线程执行到任何一条指令后，都可能从cpu上调度走，而且去执行其他线程，于是当 t1 线程和 t2 线程并发执行时，会存在以下情况。

可以看到 这种情况两次 count++ 实际上只让count+1了，并且实际情况中 t1 的load和add之间又能有更多的指令，那样则会导致 多个count++ 只会令count+1 ，所以导致了结果与预期不符合

这类问题就称为线程不安全问题。

2. 线程安全问题及解决

从上面的示例我们可以发现，导致线程不安全的原因是，count++ 这三个指令不是整体执行的，于是我们要解决这个问题就可以想办法使这三个指令为一个整体

2.1 锁

在Java中我们可以通过加锁的方式来保证线程安全，锁具有 "互斥" "排他" 的特性

在Java中，加锁的方式有很多种，最主要的方式，是通过synchronized 关键字

语法：

java 复制代码 
synchronized(锁对象) {
    //要加锁的代码
}

加锁的时候，需要"锁对象"，如果一个线程用一个锁对象加上锁以后，其他线程也尝试用这个锁对象来加锁，就会产生阻塞（BLOCKED），直到前一个对象释放锁

锁对象是一个Object对象

我们给上述ThreadDemo13中 t1, t2 中的count++加上锁：

java 复制代码 
public class ThreadDemo13 {
    public static int count = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //随便创建一个对象，作为锁对象,因为所有类默认继承于Object类
        //所以任意一个类的对象都可以作为锁对象
        Object locker = new Object();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for(int i = 0; i < 50000; i++) {
                synchronized (locker) {
                    count++;
                }
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for(int i = 0; i < 50000; i++) {
                synchronized (locker) {
                    count++;
                }
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("count = " + count);
    }
}

此时我们再次运行代码：

发现结果正确， 这是因为我们给 t1， t2 中的count都加上了同一个锁，运行代码时， t1 中的count++ 没有执行完时，t2中的 count++ 拿不到锁，就不会执行，同理，t2 中的count++ 没有执行完时，t1中的 count++ 也拿不到锁，也就不会执行。所以就保证了线程安全。

这里我们可以这样理解加锁操作：给代码加锁，就是规定这段代码必须拿到对应的锁才能执行，如果另一个线程中也有代码加了这把锁（即相同的锁对象），同样这段代码也必须拿到这个锁才能执行，但是这个锁只有一个，所以同一时间只能执行一段代码，另一段代码只能等上一段代码执行完，把锁释放了，才能拿到锁进而执行

注意：

  • 加了锁的代码，任然可能中途被调度出cpu，只不过调度出cpu后，任然是加锁状态
  • 只有以同一个锁对象加锁的线程间会产生锁竞争

synchronized 还有几种写法

  1. 下面这个代码是否是线程安全的？
java 复制代码 
class Test {
    public static int count = 0;
    public void add() {
        synchronized (this) {
            count++;
        }
    }
}
public class ThreadDemo14 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Test t = new Test();
        
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for(int i = 0; i < 50000; i++) {
                t.add();
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for(int i = 0; i < 50000; i++) {
                t.add();
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("count = " + t.count);
    }
}

注意this指的是当前对象，我们发现 调用add的都是t，所以， t1, t2 中 都是通过 t 来加锁，所以存在锁竞争，这段代码是线程安全的：

  1. 锁可以加在方法上面
java 复制代码 
class Test1 {
    public static int count = 0;
    synchronized public void add() {
            count++;
    }
}
public class ThreadDemo15 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Test1 t = new Test1();

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for(int i = 0; i < 50000; i++) {
                t.add();
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for(int i = 0; i < 50000; i++) {
                t.add();
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("count = " + t.count);
    }
}

这种写法与上面效果相同，都是通过当前对象加锁

2.2 synchronized 特性

下列代码能否正常打印Ting？

java 复制代码 
public class ThreadDemo16 {
    public static void main(String[] args) {
        Object locker = new Object();
        Thread t = new Thread(() -> {
            synchronized (locker) { //1
                synchronized (locker) {  //2
                    System.out.println("Ting");
                }// 3
            }// 4
        });
        t.start();
    }
}

答案是可以的：

解释：在1位置，第一次使用locker加锁，很明显这里是可以加上的，在2位置，这里也在尝试使用locker进行加锁，按照我们上面的理解，这里的锁是加不上的，但是最后却输出了Ting，这里是因为这两次加锁是同一个线程在进行，这种操作是允许的，这个特性称为可重入，这是Java开发者为了防止出现死锁而设计的，

注意：这种写法在1位置才会加锁，在2 位置时，不会真的加锁，在3位置也不会释放锁，在4位置才会释放锁 ，对于可重入锁，内部会有一个加锁次数的计数器，当加锁时计数器为0 才会加锁，每"加一次锁"计数器+1，而每出一个"}"计数器-1，为0时才释放锁

2.3 死锁的三种典型场景

  1. 一个线程，一把锁

如同上面所讲的，如果锁是不可重入锁，并且一个线程，用这把锁加锁两次就会出现死锁

  1. 两个线程 两把锁

线程 1 获取到锁 A

线程 2 获取到锁 B

在这种情况下 ，1尝试获取 B, 2尝试获取 A

示例代码 ：

java 复制代码 
public class ThreadDemo17 {
    public static void main(String[] args) {
        Object A = new Object();
        Object B = new Object();
        
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            synchronized (A) {
                try {
                    //等 t2 拿到B
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                synchronized (B) {
                    System.out.println("t1拿到了两把锁");
                }
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            synchronized (B) {
                try {
                    //等 t1 拿到A
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                synchronized (A) {
                    System.out.println("t2拿到了两把锁");
                }
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
    }
}
  1. N个线程M把锁

类似于上面的两个线程两把锁的问题，

下面简单画个图演示这种情况：

这种情况下，每个线程都在等待左边的锁被释放，形成一个死锁

解决：对每把锁都进行编号，规定每个线程都必须先获取编号小的锁，再获取编号大的锁，于是，线程1在获取到锁A前是不会获取锁F的，所以就避免了上述情况。

2.4 内存可见性引起的线程安全问题

在Java中，多线程共享内存可能会导致内存可见性问题，从而引起线程安全问题。简单来说，内存可见性是指：当一个线程修改了共享变量的值时，这个新值可能不会立即被其他线程所看到

示例代码：

java 复制代码 
public class ThreadDemo18 {
    public static int flag = 0;
    public static void main(String[] args) {

        int a = 0;
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            while(flag == 0) {

            }
            System.out.println("t1线程结束");
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            System.out.println("把flag置为1");
            flag = 1;
        });

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

当我们运行代码发现：

flag被置为1后 t1线程并没有结束

这里我们主要查看这段代码：

这段代码的核心指令只有两条

  1. 读取内存中flag的值到cpu寄存器里

  2. 拿寄存器里的值和 0 比较

在上述循环中的循环速度是非常快的， 一秒钟可能就运行了几亿次，在这个执行过程中，1操作每次读取的结果都是一样的，并且我们知道，内存的读写速度，相对于2操作的比较速度，是慢得多的，在这个循环中，九成九的时间都在执行1操作，并且运行了很多次(几亿甚至上百亿），读取的值都没有变化，此时JVM 就可能做出优化：不再执行 1 操作，直接用之前寄存器中的值和0做比较。当后面 flag的值变为1后，t1 线程中寄存器中存的值还是0，所以循环不会结束。

我们可以在while中加一个sleep，让循环变慢：

java 复制代码 
public class ThreadDemo18 {
    public static int flag = 0;
    public static void main(String[] args) {

        int a = 0;
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            while(flag == 0) {
                try {
                    Thread.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
            System.out.println("t1线程结束");
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            System.out.println("把flag置为1");
            flag = 1;
        });

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

运行代码：

我们发现循环可以正常结束。

这是因为不加sleep时，一秒钟循环几亿次，操作 1 的整体开销占比是非常大的，优化的迫切程度就更高；加了sleep后一秒循环1000次，操作 1 的整体开销占比就小很多了，优化的迫切程度也就每那么高。

Java中提供了 volatile 关键字，可以使上述优化被关闭

java 复制代码 
public class ThreadDemo18 {
    volatile public static int flag = 0;
    public static void main(String[] args) {

        int a = 0;
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            while(flag == 0) {
                
            }
            System.out.println("t1线程结束");
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            System.out.println("把flag置为1");
            flag = 1;
        });

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

运行结果：

volatile 有两个功能

  1. 保证内存可见性

  2. 防止指令重排序

2.5 线程饿死

Java中的线程饥饿（Thread Starvation），是指某个或某些线程无法获取到所需的CPU时间或其它系统资源，从而陷入长时间的等待状态，无法继续正常执行。这种情况可能会导致程序性能下降、响应时间延长，甚至出现死锁等严重问题。

线程饥饿通常是由于以下几个原因引起的：

  1. CPU资源被占用：当有一个或多个线程占用了大量的CPU资源时，其他线程可能无法获得足够的CPU时间，从而无法正常执行。

  2. 长时间等待资源 ：当某个线程需要等待某个资源（如锁、I/O操作等）时，如果该资源一直被其他线程占用，那么该线程可能会长时间等待，从而导致线程饥饿。

    示例代码：

    java 复制代码 
    public class ThreadDemo19 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object locker = new Object();

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            synchronized (locker) {
                while(true) {
                    //模拟长时间占用锁
                }
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            synchronized (locker) {
                System.out.println("执行了t2");
            }
        });

        t1.start();
        //确保t1先拿到locker
        Thread.sleep(100);
        t2.start();
    }
}

  3. 线程优先级不足 ：当有多个线程同时竞争某个资源时，如果优先级较低的线程一直无法获得该资源，那么它们可能会陷入长时间的等待状态。

    例如：现有 1，2，3 三个线程，线程1 的优先级更高，现在线程1 拿到了锁，但是现在某个条件不满足，线程1无法执行，所以线程1 由把锁释放了，但是线程 1 释放锁之后 任然会参与到锁竞争中，又由于 线程1的优先级高于线程2和线程3，所以任然是线程1拿到锁，于是导致了死锁。这种情况下我们可以使用 wait/notify 解决 让线程1 在条件满足时 再尝试获取锁

2.6 wait / notify

  1. wait()方法：

    • wait()方法是Object类中定义的方法，可以在任何对象上被调用。它使当前线程释放对象的锁，并让线程进入等待状态，直到其他线程调用相同对象上的notify()或notifyAll()方法将其唤醒。
    • 调用wait()方法会导致当前线程进入等待队列，并释放对象的监视器锁（即释放synchronized块或方法中的锁），允许其他线程获得该锁并执行相应操作。
    • wait()方法可以指定等待的超时时间，如果在指定的时间内没有被唤醒，则线程会自动苏醒。

  2. notify()方法：

    • notify()方法也是Object类中定义的方法，用于唤醒等待在相同对象上的某个线程。它会选择性地通知等待队列中的一个线程，表示该线程可以尝试重新获得对象的锁。
    • 如果有多个线程在等待相同对象上的锁，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。
    • notifyAll()方法则会唤醒等待队列中的所有线程。

示例：

java 复制代码 
public class ThreadDemo20 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object locker = new Object();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            synchronized (locker) {
                try {
                    System.out.println("wait之前");
                    //wait必须在synchronized内部，因为要释放锁的前提是得加上锁
                    locker.wait();
                    System.out.println("wait之后");
                } catch (InterruptedException e) {
                    //wait 和 sleep join都是一类的可能会被提前唤醒，需要捕获异常
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            synchronized (locker) {
                System.out.println("notify之前");
                //Java特别规定notify也必须在synchronized内部
                locker.notify();
                System.out.println("notify之后");
            }
        });
        t1.start();
        Thread.sleep(1000);
        t2.start();
    }
}

执行过程：

t1 执行后会立刻拿到锁，并且打印 "wait之前" 然后进入wait方法 （释放锁，阻塞等待），然后等待1秒，t2开始执行，拿到锁 打印 "notify"之前 ，然后执行 notify，让 t1 停止阻塞，重新参与锁竞争

注意：wait()可以设置最大等待时间，具体规则和join相同

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