Java并發(fā)編程：線程安全
1. 什么是線程安全？
《Java 并發(fā)編程實(shí)戰(zhàn)》的作者 Brian Goetz 對線程安全的理解是：當(dāng)多個線程訪問一個對象時，如果不需要考慮這些線程在運(yùn)行時環(huán)境中的調(diào)度和交替執(zhí)行，也不需要額外的同步，調(diào)用這個對象的行為都能獲得正確的結(jié)果，那么這個對象就是線程安全的。
通俗地說，無論有多少線程訪問業(yè)務(wù)中的一個對象或方法，在編寫這段業(yè)務(wù)邏輯時，無需做任何額外處理（即可以像單線程程序一樣編寫），程序也能正常運(yùn)行（不會因多線程而失敗），這樣的代碼就可以稱為線程安全的。
2. 什么是線程不安全？
當(dāng)多個線程同時訪問一個對象時，如果某個線程正在更新對象的值，而另一個線程同時讀取該對象的值，就可能導(dǎo)致獲取到錯誤的值。這種情況下，我們需要采取額外措施（例如使用synchronized關(guān)鍵字同步這部分代碼的執(zhí)行）來確保結(jié)果的正確性。
3. 為什么不是所有程序都設(shè)計成線程安全的？
主要是出于程序性能、設(shè)計復(fù)雜度成本等方面的考量。
4. 線程安全問題的分類
4.1 運(yùn)行結(jié)果錯誤
首先來看多線程同時操作一個變量如何導(dǎo)致運(yùn)行結(jié)果錯誤。
假設(shè)用兩個線程對count變量進(jìn)行計數(shù)，每個線程各計 10000 次：
public class ResultError {
static int count;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Runnable runnable = () -> {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
count++;
}
};
Thread thread1 = new Thread(runnable);Thread thread2 = new Thread(runnable);
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
System.out.println(count);
}
}輸出：
圖片
理論上結(jié)果應(yīng)為 20000，但實(shí)際輸出遠(yuǎn)小于理論值，且每次結(jié)果不同。為什么會這樣？
這是因?yàn)槎嗑€程下，CPU 的調(diào)度是以時間片為單位分配的，每個線程獲得一定時間片后，若時間片耗盡會被掛起并讓出 CPU 資源給其他線程，這可能導(dǎo)致線程安全問題。例如，i++看似一行代碼，實(shí)際并非原子操作，其執(zhí)行步驟主要分為三步，且每一步操作之間可能被中斷：
- 讀取當(dāng)前值；
- 遞增；
- 保存結(jié)果。
圖片
假設(shè)線程 1 先讀取count=1，隨后執(zhí)行count + 1操作，但此時結(jié)果尚未保存，線程 1 被切換。CPU 開始執(zhí)行線程 2，其操作與線程 1 相同。但此時線程 2 讀取的count值是多少？由于線程 1 的+1操作未保存結(jié)果，線程 2 讀取的仍然是count=1。
假設(shè)線程 2 執(zhí)行count + 1后保存結(jié)果為 2，隨后線程 1 恢復(fù)執(zhí)行，保存其計算結(jié)果為 2。雖然兩個線程各執(zhí)行了一次+1，但最終count結(jié)果為 2 而非預(yù)期的 3。這就是典型的線程安全問題，此時count變量被稱為共享變量或共享數(shù)據(jù)。
如何解決？
解決此類問題需要一種機(jī)制：當(dāng)多個線程操作共享變量時，確保同一時刻僅有一個線程能操作該變量，其他線程必須等待當(dāng)前線程處理完成。這種方法使用互斥鎖（Mutex Lock）實(shí)現(xiàn)互斥訪問——當(dāng)共享數(shù)據(jù)被當(dāng)前線程加鎖時，其他線程只能等待鎖釋放。
Java 中，用synchronized關(guān)鍵字修飾的方法或代碼塊可以保證同一時刻僅有一個線程執(zhí)行。代碼如下：
public class ResultErrorResolution {
staticint count;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Runnable runnable = () -> {
synchronized (ResultErrorResolution.class) {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
count++;
}
}
};
Thread thread1 = new Thread(runnable);
Thread thread2 = new Thread(runnable);
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
System.out.println(count);
}
}輸出：
20000輸出結(jié)果與預(yù)期一致??。
關(guān)于synchronized關(guān)鍵字，后續(xù)章節(jié)會詳細(xì)講解。目前只需知道它能保證同一時刻最多一個線程執(zhí)行該代碼段（需持有對應(yīng)的鎖，本例中為ResultErrorResolution.class），從而實(shí)現(xiàn)并發(fā)安全。
4.2 線程活躍性問題
第二類線程安全問題統(tǒng)稱為活躍性問題。活躍性問題指程序無法獲得運(yùn)行的最終結(jié)果。相比前文的錯誤，活躍性問題的后果可能更嚴(yán)重，例如死鎖會導(dǎo)致程序完全卡死。
典型的活躍性問題包括死鎖（Deadlock）、活鎖（Livelock）和饑餓（Starvation）。由于內(nèi)容較多，后續(xù)會單獨(dú)寫篇文章介紹。
4.3 對象初始化時的安全問題
最后是對象初始化過程中引發(fā)的線程安全問題。創(chuàng)建對象以供其他類或?qū)ο笫褂檬浅Ｒ姴僮鳎魰r機(jī)或錯誤可能導(dǎo)致線程安全問題。
看一個例子：
public class InitError {
private Map<Long, String> students;
public InitError() {
new Thread(() -> {
students = new HashMap<>();
students.put(1L, "Tom");
students.put(2L, "Bob");
students.put(3L, "Victor");
}).start();
}
public Map<Long, String> getStudents() {
return students;
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
InitError initError = new InitError();
System.out.println(initError.getStudents().get(1L));
}
}此例中，成員變量students在構(gòu)造函數(shù)的子線程中初始化。但主線程在初始化InitError后未等待子線程完成，直接嘗試獲取數(shù)據(jù)，導(dǎo)致問題：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
InitError initError = new InitError();
System.out.println(initError.getStudents().get(1L));
}運(yùn)行結(jié)果：
Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
at concurrency.chapter10.InitError.main(InitError.java:25)原因：
students在構(gòu)造函數(shù)的新線程中初始化，而主線程未等待該線程完成就直接調(diào)用getStudents()，此時students可能尚未初始化（返回null），導(dǎo)致空指針異常。
5. 哪些場景需特別注意線程安全問題？
5.1 訪問共享變量或資源
當(dāng)訪問靜態(tài)變量、共享緩存等共享資源時，若多線程同時操作（如count++），需確保原子性。例如以下“檢查后執(zhí)行”操作可能被中斷：
if (count == 10) {
count = count * 10;
}多個線程可能同時滿足count == 10，導(dǎo)致多次執(zhí)行count = count * 10，需通過加鎖保證原子性。
5.2 數(shù)據(jù)間存在綁定關(guān)系
當(dāng)不同數(shù)據(jù)成組出現(xiàn)且需保持對應(yīng)關(guān)系時（如 IP 和端口號），若修改未綁定為一個原子操作，可能導(dǎo)致信息不一致。例如僅修改 IP 而未同步修改端口號，接收方可能獲取錯誤的綁定結(jié)果。
5.3 依賴的類未聲明線程安全
若使用的類未聲明自身是線程安全的（如ArrayList），在多線程并發(fā)操作時可能引發(fā)線程安全問題。責(zé)任不在該類本身，因其未做任何線程安全保證（源碼注釋中通常會說明）。
