多线程安全的案例展示与解决方案

一、概念

1. 什么是线程安全

当多个线程访问一个对象时，如果不用考虑这些线程在运行时环境下的调度和交替执行，也不需要进行额外的同步，或者在调用方进行任何其他的协调操作，调用这个对象的行为都可以获得正确的结果，那这个对象是线程安全的。

通俗来说就是：不管业务中遇到怎么的多个线程访问某个对象或某个方法的情况，而在编写这个业务逻辑的时候，都不需要额外做任何额外的处理（也就是可以像单线程编程一样），程序也可以正常运行（不会因为多线程而出错），就可以称为线程安全。

2. 什么是线程不安全：

多个线程同时做一个操作时，如使用 set 设置一个对象的值时，如果同时有另一个线程使用 get 方法取该对象的值，就有可能取到不正确的值，这种情况就需要我们进行额外的操作保证结果正确，如Synchronized关键词修饰做同步

3. 那为什么不全部设计为线程安全：

主要考虑到运行速度、设计成本等因素。

二、出现线程安全的案例

什么情况下会出现线程安全问题，怎么避免？

运行结果错误：a++多线程下出现消失的请求现象。
线程的活跃性问题：死锁、活锁、饥饿
对象发布和初始化的时候的安全问题

1. a++ 在多线程下出现的数据运算出错

代码演示：

public class MultiThreadsError implements Runnable {
    static MultiThreadsError multiThreadsError = new MultiThreadsError();
    int index = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new Thread(multiThreadsError);
        Thread thread2 = new Thread(multiThreadsError);

        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread2.join();
        System.out.println(multiThreadsError.index);
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            index++;
        }
    }
}

结果如下：

两个线换各执行 10000 次 +1，结果却不是20000，运行过程中出现了什么问题呢？分析如下：

如上图，对于i++这一步，两个线程之间会获取 i 的值然后去执行 ++，比如线程1 拿到i时i=1，在执行 i+1时，线程2又拿到了i,这时依然是 i=1（因为线程1还没有运算结束），线程2也进行i+1,这就导致两个线程都计算的结果都是2，然后都给i赋值，最终i=2,但其实是i+1执行了两次，结果应该是i=3，运算结果不符合预期；结果也就导致上面代码中的打印结果。

那么 a++ 具体在哪里冲突了？又冲突了几次？？我们可以尝试作如下改进，打印出出错的地方

public class MultiThreadsError implements Runnable {
    static MultiThreadsError multiThreadsError = new MultiThreadsError();
    // 通过一个boolean数组来标记已经++了的下标为true值，若如果已经为true，那么打印下标为越界线程错误的话；
    final boolean[] marked = new boolean[100000];
    int index = 0;
    // AtomicInteger为细化步骤，就会让这次操作不会出现线程不安全操作，这里用他记录错误/正确次数
    static AtomicInteger realInt = new AtomicInteger();//正确次数
    static AtomicInteger errorInt = new AtomicInteger();//错误次数
    
    //有参构造参数为2，代表需要等待两个线程经过，再放行
    static volatile CyclicBarrier cyclicBarrier1 = new CyclicBarrier(2);
    static volatile CyclicBarrier cyclicBarrier2 = new CyclicBarrier(2);
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new Thread(multiThreadsError);
        Thread thread2 = new Thread(multiThreadsError);

        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread2.join();
        System.out.println(multiThreadsError.index);
        System.out.println("正确次数为："+realInt);
        System.out.println("错误次数为："+errorInt);
    }

    @Override
    public void run() {
        marked[0] = true;
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            //设置栅栏
            try {
                cyclicBarrier2.reset();
                cyclicBarrier1.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            index++;
            try {
                cyclicBarrier1.reset();
                cyclicBarrier2.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            // 原子整数，是线程安全的，用来计数 ++ 执行的次数
            realInt.incrementAndGet();
            synchronized (multiThreadsError){
                // 如果已经为true，说明此时的index所在的位置已经执行过一次 ++ 了，那么打印下标为越界线程错误的话；
                // if (marked[index]){
                if (marked[index] && marked[index-1]){
                    // 原子整数，是线程安全的，用来失败的次数
                    errorInt.incrementAndGet();
                    System.out.println("该下标【"+index+"】越界被标记过了");
                }
                marked[index] = true;
            }
        }
    }
}

（1）定义 boolean[] marked 数组和 marked[index] = true 的作用？

通过一个boolean数组来标记已经++了的下标为true值，若如果已经为true，那么说明此时的 index 的当前值已经执行过一次 ++ 了，那就说明遇到了 index++ 冲突；

(1) 这里使用到了 CyclicBarrier 类，原因如下：

假设i=4时，线程1和2遇到冲突，计算之后都给i赋值了5，本该是一次错误运算，但是如果遇到下面的情景会将其认为是正确运算：此时的i=5,线程1先拿到锁后设置 marked[5]=true，然后线程1释放锁，此时线程1执行特别快，在线程2拿到锁时，线程1已经又执行了一次index++，此时的 index=6，线程2运行 if (marked[index])时，即 marked[6]明显还没设置，就不会认为是已经失败了。所以为了避免这种场景，保证线程1和2在交换锁期间，两个线程都只有一次 index++ 运算，就用到了 CyclicBarrier 类。

(2) 上面代码中为什么使用 `if (marked[index] && marked[index-1])`，而不是使用`if (marked[index])`,来作为失败运算的标记呢？

因为如果两个线程的 index++ 如果没有冲突的话，上个循环中的 index，和本次循环中的 index 应该是相差2，也就表示中间会少设置一个 marked[index]，但是如果 marked[index-1] 已经被设置了，那就说明本次循环，两个线程的 index++ 冲突了，但是有一个特殊 marked[0]，该值无论成功与否，都不会设置，所以需要在 run() 方法开头加上 marked[0] = true;

打印结果如下：

可以看到错误的次数和表面上结果相加刚好是20000，同时也打印了发生错误的位置是19143，从而更清晰地知道哪里发生了 index++ 冲突。

2. 线程的`活跃性`问题：死锁、活锁、饥饿

这里以死锁为例，代码展示如下：

public class MultiThreadError implements Runnable {

    int flag = 1;
    static Object o1 = new Object();
    static Object o2 = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        MultiThreadError r1 = new MultiThreadError();
        MultiThreadError r2 = new MultiThreadError();
        r1.flag=1;
        r2.flag=0;

        Thread thread1 = new Thread(r1);
        Thread thread2 = new Thread(r2);

        thread1.start();
        thread2.start();
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("flag： "+flag);
        if (flag==1){
            synchronized (o1){
                try {
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (o2){
                    System.out.println("1");
                }
            }
        }
        if (flag==0){
            synchronized (o2){
                try {
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (o1){
                    System.out.println("1");
                }
            }
        }

    }
}

结果如下：

在打印出上面两行之后，便不会再进行打印，而且程序也不会终止，这就是死锁。两个线程首先都各自持有一个锁，然后去抢夺另一把锁，但是要抢夺的锁都已经心有所属，分别就是所属于对方，于是两个线程就一直干耗着，进退两难，成了死局。

3. 对象发布和初始化的时候的安全问题

什么是对象发布：

让这个对象在超过这个类的范围去使用。比如先使用 public 声明这个类，那么这个类就是被发布出去了，那怎么超过这个类的范围去使用呢，如下：

如果一个方法内 return 返回了一个对象的话，任何调用这个方法的类，都会获取到这个对象
将某类的对象作为参数传递到其他类中，也是该类的对象脱离了本类，进入其他对象中

什么是逸出：

某个被发布到不该发布的地方，比如：

方法返回一个private对象（private对象本身是不让外部访问）
还未完成初始化（构造函数没完全执行完毕）就把对象提供给外界，比如以下几种情况：
- 在构造函数中未初始化完毕就给外部对象赋值this实例
- 隐式逸出——注册监听事件
- 在构造函数中运行子线程

3.1 方法返回一个private对象

(1) 代码展示：

public class MultiThreadError3 {
    private Map<String,String> states;

    public MultiThreadError3(){
        states=new HashMap<>();
        states.put("1","周一");
        states.put("2","周二");
        states.put("3","周三");
        states.put("4","周四");
        states.put("5","周五");
        states.put("6","周六");
        states.put("7","周七");
    }

    //这里逸出了
    public Map<String,String> getStates(){
        return states;
    }

    //导致下面可以获取修改states对象的内容
    public static void main(String[] args) {
        MultiThreadError3 multiThreadError3 = new MultiThreadError3();
        Map<String, String> states = multiThreadError3.getStates();
        System.out.println(states.get("1"));

        states.remove("1");
        System.out.println(states.get("1"));
    }
}

打印结果如下：

states这个Map 对象本来是 MultiThreadError3类私有的，但是在 getStates() 方法中被 return 出去了，那么外部就能拿到这个states ,而且甚至能对它进行操作，修改里面的值，这就可能造成很严重的安全问题。

解决方案：

通过返回副本的方式，避免直接让这个对象暴露给外界。

/**
 * 描述：     返回副本，解决逸出
 */
public class MultiThreadsError3 {

    private Map<String, String> states;

    public MultiThreadsError3() {
        states = new HashMap<>();
        states.put("1", "周一");
        states.put("2", "周二");
        states.put("3", "周三");
        states.put("4", "周四");
    }

    public Map<String, String> getStates() {
        return states;
    }

    public Map<String, String> getStatesImproved() {
        return new HashMap<>(states);
    }

    public static void main(String[] args) {
        MultiThreadsError3 multiThreadsError3 = new MultiThreadsError3();
        Map<String, String> states = multiThreadsError3.getStates();
//        System.out.println(states.get("1"));
//        states.remove("1");
//        System.out.println(states.get("1"));

        System.out.println(multiThreadsError3.getStatesImproved().get("1"));
        multiThreadsError3.getStatesImproved().remove("1");
        System.out.println(multiThreadsError3.getStatesImproved().get("1"));

    }
}

打印结果：

3.2 还未完成初始化（构造函数没完全执行完毕）就把this对象提供给外界

（1）代码演示：在构造函数中未初始化完毕就给外界对象赋值

public class MultiThreadsError4 {

    static Point point;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new PointMaker().start();
        Thread.sleep(10);
        if (point != null) {
            System.out.println(point);
        }
        Thread.sleep(105);
        if (point != null) {
            System.out.println(point);
        }
    }
}

class Point {

    private final int x, y;

    public Point(int x, int y) throws InterruptedException {
        this.x = x;
        MultiThreadsError4.point = this;
        Thread.sleep(100);
        this.y = y;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return x + "," + y;
    }
}

class PointMaker extends Thread {

    @Override
    public void run() {
        try {
            new Point(1, 1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

打印结果：

因为x的初始化比 y 要早一点，并且在构造函数中有线程睡眠，就可能导致在 main 函数中不同的时间输出的结果不一样，比如上图在main 函数中 Thread.sleep(10) 之后打印出的结果，和 Thread.sleep(105)之后打印出的结果不一样

(2) 代码演示：隐式逸出——注册监听事件

/**
 * 观察者模式
 */
public class MultiThreadsError5 {

    private int count;

    public MultiThreadsError5(MySource source) {
        source.registerListener(new EventListener() {
            @Override
            public void onEvent(Event e) {
                System.out.println("\n我得到的数字是" + count);
            }

        });
        //模拟业务操作
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            System.out.print(i);
        }
        count = 100;
    }

    public static void main(String[] args) {
        MySource mySource = new MySource();
        new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            mySource.eventCome(new Event() {
            });
        }).start();

        new MultiThreadsError5(mySource);
    }

    static class MySource {

        private EventListener listener;

        void registerListener(EventListener eventListener) {
            this.listener = eventListener;
        }

        void eventCome(Event e) {
            if (listener != null) {
                listener.onEvent(e);
            } else {
                System.out.println("还未初始化完毕");
            }
        }

    }

    interface EventListener {
        void onEvent(Event e);
    }

    interface Event {

    }
}

结果如下：

结果为什么是0而不是100呢？

在 new EventListener()这个匿名内部类中，引用了外部类的 count变量，这个匿名内部类就可以对它进行操作，如果 count 的值在构造函数中还没有初始化完成，就对该 count 进行操作，就导致count的值不准确。、

解决方案：

使用工厂模式，将构造器私有化不对外暴露，对外暴露一个方法：等做完所需的操作之后再 return 发布出去，就不会有实例过早被暴露的问题了。

/**
 * 描述：     用工厂模式修复刚才的初始化问题
 */
public class MultiThreadsError7 {

    int count;
    private EventListener listener;

    private MultiThreadsError7(MySource source) {
        listener = new EventListener() {
            @Override
            public void onEvent(MultiThreadsError5.Event e) {
                System.out.println("\n我得到的数字是" + count);
            }

        };
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            System.out.print(i);
        }
        count = 100;
    }

    public static MultiThreadsError7 getInstance(MySource source) {
        MultiThreadsError7 safeListener = new MultiThreadsError7(source);
        source.registerListener(safeListener.listener);
        return safeListener;
    }

    public static void main(String[] args) {
        MySource mySource = new MySource();
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                mySource.eventCome(new MultiThreadsError5.Event() {
                });
            }
        }).start();
        MultiThreadsError7 multiThreadsError7 = new MultiThreadsError7(mySource);
    }

    static class MySource {

        private EventListener listener;

        void registerListener(EventListener eventListener) {
            this.listener = eventListener;
        }

        void eventCome(MultiThreadsError5.Event e) {
            if (listener != null) {
                listener.onEvent(e);
            } else {
                System.out.println("还未初始化完毕");
            }
        }

    }

    interface EventListener {

        void onEvent(MultiThreadsError5.Event e);
    }

    interface Event {

    }
}

打印结果：

(3) 在构造函数中新建线程

/**
 *  构造函数中新建线程
 */
public class MultiThreadError6 {
    private Map<String,String> states;

    public MultiThreadError6(){
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                states=new HashMap<>();
                states.put("1","周一");
                states.put("2","周二");
                states.put("3","周三");
                states.put("4","周四");
                states.put("5","周五");
                states.put("6","周六");
                states.put("7","周七");
            }
        }).start();

    }

    public Map<String,String> getStates(){
        return states;
    }

    public static void main(String[] args) {
        MultiThreadError6 multiThreadError6 = new MultiThreadError6();
        System.out.println(multiThreadError6.states.get("1"));
    }
}

打印结果：

上图所示：出现了空指针的情况，因为初始化的操作在另外一个线程中，可能那个线程没有执行完毕，就会出现空指针，假如在 System.out.println(multiThreadError6.states.get("1"));之前加入 Thread.sleep(1000)休眠一段时间后等另外一个线程执行完，就不会出现这个问题了。

三、总结

1. 各种需要考虑线程安全的情况，如下：

访问共享的变量或资源，会有并发风险，这里的共享变量或资源指的是：对象的属性，静态变量，共享缓存，数据库等等。
所有依赖时序的操作，即可以拆分成多个步骤的操作，即使每一步操作都是线程安全的，但是如果存在操作时序不对，还是存在并发问题，比如：read-modify-write（先读取再修改最后写入）、 check-then-act（先检查再操作）
不同的数据之间存在捆绑关系的时候，那就要么把这些捆绑的数据全部修改，要么都不修改
在使用其他类的时候，如果该类没有声明自己是线程安全的，那就要注意该类可能是线程不安全的