如何解决线程安全问题(synchronized、原子性、产生线程不安全的原因，锁的特性，加锁的方式等等干货)

文章目录

💐线程不安全的示例
💐锁的特性
💐产生线程不安全的原因：
💐加锁的三种方式

💐线程不安全的示例

对于线程安全问题，这里用一个例子进行讲解👇：

我现在定义一个变量count，使用两个线程对这个count进行自增，每一个线程中，count都自增10000，那么，两个线程执行结束之后，最后的count应该是20000，下面验证一下：

public class Demo1 {
    private static int count = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            for(int i = 0; i < 10000; i++) {
                //count自增10000次
                count++;
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            for(int i = 0; i < 10000; i++){
                //count自增10000次
                count++;
            }
        });
        
        thread1.start();
        thread2.start();
        //让主线程阻塞等待
        thread1.join();
        thread2.join();
        //两个线程执行完毕后，打印最后结果
        System.out.println("count:"+count);
    }
}

第一次打印：

在这里插入图片描述

第二次打印：

在这里插入图片描述

第三次打印：

在这里插入图片描述

通过以上代码的得到，最后的结果与我们预期的结果完全不一样，而且，每次运行都会产生不一样的结果；以上代码如果放在一个线程中去运行，那是没有任何问题的，放在多线程中就出现了问题，以上情况就是一个非常典型的线程安全问题；

那么我们修改一下代码：

将thread1的join放在thread1的start后面，最后运行的结果就是对的！！！

在这里插入图片描述

这个 “同时执行” 是很关键的，既然同时执行时会产生线程不安全问题，那么有没有办法解决这样的问题呢？答案是：有的

产生问题的愿意：

首先，count++ 这个操作，站在CPU的角度上是由三步操作完成的：

load操作，把数据从内存中拿出来放到寄存器中

add操作，把count的值进行+1

save操作，把寄存器中的值放到内存中

以两个线程为例，因为线程是随机调度执行的，所以这三步操作就有以下的操作顺序：

在这里插入图片描述

上述，第一和第二种情况产生的结果就是正确的，下面通过画图演示一下以上这三步在CPU核心上的操作步骤，观察以下count是如何完成自增操作的；

假设，thread1 和 thread2这两个线程是在两个CPU核心上执行的，当然，在一个CPU核心上也是没有问题的，因为会有对应的上下文进行记录，为了好理解，下面我们假设在两个CPU核心上：

在这里插入图片描述

交叉执行的情况就会产生bug👇

在这里插入图片描述

由于在这20000次中，我们不知道有多少次是按照正确的方式自增的，又有多少次按照错误的方式自增的，所以最后就会产生一个小于20000的随机值；对于上述情况，就可以使用 **“加锁操作“**👇

💐锁的特性

在Java中，对线程加锁主要就是使用 synchronized

synchronized在使用时，需要修饰一个代码块，例如以下：

在这里插入图片描述

对上述自增例子的代码进行加锁：

public class Demo1 {
    private static int count = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object obj = new Object();//创建一个对象作为锁对象
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            synchronized (obj) {
                //对线程进行加锁
                for(int i = 0; i < 10000; i++) {
                    count++;
                }
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            synchronized (obj) {
                for(int i = 0; i < 10000; i++){
                    //count自增10000次
                    count++;
                }
            }
        });
		//此时两个线程同时执行，就会同时获取锁对象，就会产生竞争
        thread1.start();
        thread2.start();
        //两个线程执行完毕后，打印最后结果
        System.out.println("count:"+count);
    }
}

在这里插入图片描述

锁的特性主要分为两点：

（1）互斥特性

进入synchronized修饰的代码块，相当于加锁
退出synchronized修饰的代码块，相当于解锁

一个线程在加锁情况下，另一个线程也想要进行加锁，这样就会产生“锁冲突/锁竞争”，获得锁的线程就会继续执行，没有获得锁的线程就会阻塞等待，直到得到锁的线程释放锁为止；

如何理解阻塞等待？

例如这样一个场景，我们在排队上厕所时，当张三进入厕所后，就会将们锁住，这时候，李四和王五就只能在原地等待，等到张三出来以后，李四和王五才能去上厕所；

注意：

1.张三出厕所以后，李四和王五并不会按照顺序上厕所，而是会进行一个抢厕所，这就相当于，虽然现在有多个线程，但是在获取锁时，并不会按照先来后到的顺序获取，而是会进行争抢

2.上一个线程释放锁之后，下一个线程并不是直接就可以获取锁，而是需要操作系统进行一个“唤醒”的过程，这个过程是操作系统线程调度的工作部分

（2）刷新内存

synchronized的工作过程：

1.尝试获得锁

2.从主内存拷贝变量最新内容到工作内存

3.执行代码

4.将更改后的变量刷新到主内存中

5.释放锁

所以，synchronized也可以保证内存可见性

💐产生线程不安全的原因：

1.线程的调度顺序是随机的，是抢占式执行的

2.两个线程针对同一个变量进行修改

1.两个线程针对两个不同的变量进行修改

2.一个线程针对一个变量进行修改

3.两个线程针对同一个线程进行读取

以上改正后的三点就不会发生不安全问题；

3.修改操作不是原子的

什么是原子性：就像最开始讲的 load，add，save 指令，它们是三个指令，需要一个一个执行，所以它们不是原子的，如果它们三个指令发生的动作能够一个指令就完成，或者说在它们三个指令执行的过程中，不会被其他的指令进行穿插，这就是原子的。

4.内存可见性问题

5.指令重排序问题

那么，如何将不安全改成安全的呢？

首先，第一条原因是没办法修改的，因为线程的抢占式执行是由操作系统决定的，我们是无法修改的，第二条原因的话，针对有些代码，可能可以经过代码的调整来避免，但是，有些代码可能无法调整，就比如我们写的这个，我们的目的就是让count在两个线程中进行自增，所以第二条原因需要针对业务的情况，第三条原因就可以进行修改，将不是原子的操作改为原子的，通过加锁就可以解决上述非原子性问题，内存可见性和指令重排序问题也可以通过 Volaite 来解决。

💐加锁的三种方式

1.synchronozed修饰代码块👇

  Object obj = new Object();
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            synchronized (obj) {
                //对代码进行加锁
                for(int i = 0; i < 10000; i++) {
                    count++;
                }
            }
        });

**2.修饰实例方法👇：**哪个对象调用increase，哪个就是 “锁对象”

class Counter{
    public static int count;
    //谁调用这个方法，谁就是锁对象
    //写法一：
    synchronized public void increase() {
        count++;
    }
    //写法二：
    public void increse() {
        synchronized(this) {
            count++;
        }
    }
}
public class Demo1 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
       Counter counter = new Counter();
        
       Thread thread1 = new Thread(() -> {
           for(int i = 0; i < 10000; i++) {
               counter.increase();
           }
       });

        thread1.start();
        System.out.println(Counter.count);
    }
}

在这里插入图片描述

3.修饰静态方法👇

如果是修饰静态方法，相当于是对“类对象”进行了加锁；

class Counter{
    public static int count;
    //写法一：
    synchronized public static void increase1() {
        count++;
    }
	//写法二
    public static void increase2() {
        //对类对象加锁
        synchronized (Counter.class) {
            count++;
        }
    }
}