Kotlin 并发安全解析：协程与线程的差异与实践

三少爷的鞋2024-10-20 18:15

Kotlin 并发安全解析：协程与线程的差异与实践

前言

在开发过程中，我们经常听到"线程安全"这个概念，尤其是在多线程环境下。线程安全性指的是确保多个线程并发访问共享资源时，资源不会出现意外的状态更改或数据不一致的问题。随着 Kotlin 协程的广泛使用，另一个重要的概念也逐渐引起了关注------协程安全。

尽管协程和线程存在概念上的区别，但协程安全性和线程安全性之间有着很多相似之处。它们都需要确保当多个执行单元（线程或协程）并发操作共享状态时，不会出现竞态条件（Race Condition）。本文将通过一个示例，深入探讨如何确保协程安全，以及它与线程安全的区别。

协程与线程：概念上的差异

  • 线程（Thread） 是操作系统管理的执行单元。多个线程可以同时执行，并在多核 CPU 上并行处理任务。线程的开销较大，需要上下文切换，容易引发线程安全问题。
  • 协程（Coroutine） 是轻量级的、由语言级别管理的执行单元。协程不像线程那样被操作系统调度，它们是由编程语言的运行时调度。协程可以在同一个线程上并发执行，并通过挂起与恢复来避免阻塞线程。

尽管协程本质上可以在一个线程上运行，但它们仍然是并发的。也就是说，多个协程可以在同一个线程中并发执行，因此在处理共享状态时仍可能面临并发问题。

多协程并发（基于IO调度器）

以下代码展示了一个模拟银行的场景，在这个场景中我们通过协程来执行"花费金钱"的操作。

kotlin 复制代码 
class BankAccount {
    private var balance = 1000
    private val lock = ReentrantLock()

    suspend fun spendMoney1(amount: Int = 500) {
        log("Trying to acquire lock")
        lock.lock()
        try {
            if (balance >= amount) {
                delay(1000)
                balance -= amount
            }
        } catch (e: Exception) {
            e.printStackTrace()
            log("${e.message}")
        } finally {
            lock.unlock()
        }
    }
}

fun main() = runBlocking {
    val bankAccount = BankAccount()
    val jobs = List(3) {
        launch(Dispatchers.IO) {
            bankAccount.spendMoney1()
        }
    }
    jobs.forEach {
        it.join()
    }
    log(bankAccount.getBank())
}

在这个示例中，并发 3 个协程（基于IO调度器）来调用 bank.spendMoney1() 函数。在 spendMoney1 函数中，我们检查当前余额是否足够，如果余额足够，就进行支出操作。

运行上面代码，输出：

csharp 复制代码 
[DefaultDispatcher-worker-2] Trying to acquire lock
[DefaultDispatcher-worker-1] Trying to acquire lock
[DefaultDispatcher-worker-3] Trying to acquire lock

只看到获取锁，却看不到结果，难道是死锁了？我们加一行日志：

kotlin 复制代码 
suspend fun spendMoney1(amount: Int = 500) {
    log("Trying to acquire lock")
    lock.lock()
    try {
        if (balance >= amount) {
            delay(1000)
            balance -= amount
        }
    } catch (e: Exception) {
        e.printStackTrace()
        log("${e.message}")
    } finally {
        log("Trying to unlock")
        lock.unlock()
    }
}

再次运行：

css 复制代码 
[DefaultDispatcher-worker-1] Trying to acquire lock
[DefaultDispatcher-worker-3] Trying to acquire lock
[DefaultDispatcher-worker-2] Trying to acquire lock
[DefaultDispatcher-worker-1] Trying to unlock
[DefaultDispatcher-worker-1] Trying to unlock

从日志上看，DefaultDispatcher-worker-1 尝试 unlock 两次，这很奇怪。DefaultDispatcher-worker-1 获取锁一次，却释放两次锁，第二次释放肯定失败的，这也许就是没有结果输出的原因。再次修改代码如下：

kotlin 复制代码 
suspend fun spendMoney2(amount: Int = 500) {
    log("Trying to acquire lock")
    lock.lock()
    try {
        if (balance >= amount) {
            log("delay 1000 " + delay(1000))
            balance -= amount
        }
    } catch (e: Exception) {
        e.printStackTrace()
        log("${e.message}")
    } finally {
        if (lock.isHeldByCurrentThread) {
            log("Trying to unlock")
            lock.unlock()
        } else {
            log("Lock not held by current thread")
        }
    }
}

同样并发三次：

kotlin 复制代码 
fun main() = runBlocking {
    val bankAccount = BankAccount()
    val jobs = List(3) {
        launch(Dispatchers.IO) {
            bankAccount.spendMoney2()
        }
    }
    jobs.forEach {
        it.join()
    }
    log(bankAccount.getBank())
}

输出结果：

csharp 复制代码 
[DefaultDispatcher-worker-1] Trying to acquire lock
[DefaultDispatcher-worker-2] Trying to acquire lock
[DefaultDispatcher-worker-3] Trying to acquire lock
[DefaultDispatcher-worker-1] delay 1000 kotlin.Unit
[DefaultDispatcher-worker-1] Trying to unlock
[DefaultDispatcher-worker-1] delay 1000 kotlin.Unit
[DefaultDispatcher-worker-1] Lock not held by current thread

从日志来看，DefaultDispatcher-worker-2 获取锁之后，delay 发生了线程切换，然后不能正确释放锁，导致无法正确输出结果，也就是说在协程的环境下使用线程的锁是有问题的。

多协程并发（单线程调度器）

kotlin 复制代码 
suspend fun spendMoney3(amount: Int = 500) {
    if (balance >= amount) {
        delay(1000)
        balance -= amount
    }
}

fun main() = runBlocking {
    val bankAccount = BankAccount()
    val jobs = List(3) {
        launch {
            bankAccount.spendMoney3()
        }
    }
    jobs.forEach {
        it.join()
    }
    log(bankAccount.getBank())
}

输出结果：

csharp 复制代码 
[main] -500

竟然不是0。

为什么即使在主线程上也会出现问题？

虽然我们没有显式地切换到其他线程，并且所有协程都在主线程（UI 线程）上执行，但由于协程的并发特性，问题仍然可能发生。

竞态条件（Race Condition）

多个协程在并发访问共享资源（如 balance）时，可能会发生竞态条件。例如：

  1. 协程1 、协程2 和 协程3 同时检查 balance，发现余额足够。
  2. 协程1 暂时挂起（由于 delay(1000)），然后 协程2 完成了支出操作，余额减少了。
  3. 协程1 恢复执行，但它的检查是在挂起前进行的，因此它认为余额仍然足够，并继续支出，从而导致余额被错误地扣减三次。

这种竞态条件在并发编程中非常常见，虽然我们没有使用多个线程，但多个协程仍然会并发执行，导致数据不一致的问题。

协程安全的解决方案

为了解决这个问题，我们需要确保当多个协程并发访问共享状态时，它们的操作是安全的。即使协程是轻量级的，它们也需要一些同步机制来确保协程之间不会相互干扰。

在 Kotlin 协程中，我们可以使用 Mutex 来确保协程安全。Mutex 是一种轻量级的锁，它可以确保在同一时刻，只有一个协程可以访问临界区代码（如余额的修改操作）。

使用 Mutex 确保协程安全

通过使用 Mutex，我们可以确保多个协程在修改共享状态时不会互相干扰。以下是修改后的代码：

kotlin 复制代码 
import kotlinx.coroutines.sync.Mutex
import kotlinx.coroutines.sync.withLock

class BankAccount {
    private val mutex = Mutex()
    private var balance = 1000

    suspend fun spendMoney4(amount: Int = 500) {
        mutex.withLock {
            if (balance >= amount) {
                delay(1000)
                balance -= amount
            }
        }
    }

    fun getBank(): Int {
        return balance
    }
}

fun main() = runBlocking {
    val bankAccount = BankAccount()
    val jobs = List(3) {
        launch {
            bankAccount.spendMoney4()
        }
    }
    jobs.forEach {
        it.join()
    }
    log(bankAccount.getBank())
}

Mutex 避免了多个协程并发修改共享状态时发生的竞态条件。即便这些协程都在主线程上运行，Mutex 也确保了协程之间的操作不会交错。

协程安全 vs 线程安全

虽然协程和线程在调度方式上有所不同，但它们都需要确保共享状态的并发访问是安全的。以下是它们的区别与相似之处：

  • 相似之处：

    • 协程和线程都可以并发运行，因此当它们访问共享状态时，都可能引发竞态条件。
    • 同样的工具，如 Mutex 或 Atomic 类，都可以分别用来确保协程和线程的并发操作是安全的。

  • 区别：

    • 线程是由操作系统管理的，切换线程有较大的开销，而协程则是由 Kotlin 运行时管理的，它们的开销很小。
    • 线程安全通常涉及锁定某个共享资源，使得其他线程在操作完成之前无法访问该资源。协程安全则更多地依赖于语言级别的挂起与恢复机制，使用 Mutex 等工具来避免并发修改共享状态。

总结

协程并不自动保证对共享状态的安全访问，即便是在主线程上。与线程安全类似，协程安全同样需要同步工具来防止竞态条件。在协程中不要使用 Java 的线程锁（如 ReentrantLock），因为它们无法正确处理协程的挂起与恢复。相反，应该使用 Kotlin 协程库提供的 Mutex 等工具来确保协程安全，通过使用 Mutex 等机制，可以确保在协程并发修改共享状态时不会出现数据不一致问题。理解协程安全与线程安全的差异与相似之处，是编写健壮且高效代码的关键。

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