Java 并发编程(二):如何保证共享变量的原子性?

简介: Java 并发编程(二):如何保证共享变量的原子性?

线程安全性是我们在进行 Java 并发编程的时候必须要先考虑清楚的一个问题。这个类在单线程环境下是没有问题的,那么我们就能确保它在多线程并发的情况下表现出正确的行为吗?


我这个人,在没有副业之前,一心扑在工作上面,所以处理的蛮得心应手,心态也一直保持的不错;但有了副业之后,心态就变得像坐过山车一样。副业收入超过主业的时候,人特别亢奋,像打了鸡血一样;副业迟迟打不开局面的时候,人就变得惶惶不可终日。


仿佛我就只能是个单线程,副业和主业并行开启多线程模式的时候,我就变得特别没有安全感,尽管整体的收入比没有副业之前有了很大的改善。


怎么让我自己变得有安全感,我还没想清楚(你要是有好的方法,请一定要告诉我)。但怎么让一个类在多线程的环境下是安全的,有 3 条法则,让我来告诉你:


1、不在线程之间共享状态变量。

2、将状态变量改为不可变。

3、访问状态变量时使用同步。


那你可能要问,状态变量是什么?


我们先来看一个没有状态变量的类吧,代码示例如下。


class Chenmo {

   public void write() {

       System.out.println("我寻了半生的春天,你一笑便是了。");

   }

}



Chenmo 这个类就是无状态变量的,它只有一个方法,既没有成员变量,也没有类变量。任何访问它的线程都不会影响另外一个线程的结果,因为两个线程之间没有共享任何的状态变量。所以可以下这样一个结论:无状态变量的类一定是线程安全的。


然后我们再来看一个有状态变量的类。假设沉默(Chenmo 类)每写一行字(write() 方法),就要做一次统计,这样好找出版社索要稿费。我们为 Chenmo 类增加一个统计的字段,代码示例如下。


class Chenmo {

   private long count = 0;

   public void write() {

       System.out.println("我寻了半生的春天,你一笑便是了。");

       count++;

   }

}



Chenmo 类在单线程环境下是可以准确统计出行数的,但多线程的环境下就不行了。因为递增运算 count++ 可以拆分为三个操作:读取 count,将 count 加 1,将计算结果赋值给 count。多线程的时候,这三个操作发生的时序可能是混乱的,最终统计出来的 count 值就会比预期的值小。


PS:具体的原因可以回顾上一节《Java 并发编程(一):摩拳擦掌》。


写作不易,咱不能亏待了沉默,对不对?那就想点办法吧。


假定线程 A 正在修改 count 变量,这时候就要防止线程 B 或者线程 C 使用这个变量,从而保证线程 B 或者线程 C 在使用 count 的时候是线程 A 修改过后的状态。


怎么防止呢?可以在 write() 方法上加一个 synchronized 关键字。代码示例如下。


class Chenmo {

   private long count = 0;

   public synchronized void write() {

       System.out.println("我寻了半生的春天,你一笑便是了。");

       count++;

   }

}



关键字 synchronized 是一种最简单的同步机制,可以确保同一时刻只有一个线程可以执行 write(),也就保证了 count++ 在多线程环境下是安全的。


在编写并发应用程序时,我们必须要保持一种正确的观念,那就是——首先要确保代码能够正确运行,然后再是如何提高代码的性能。


但众所周知,synchronized 的代价是昂贵的,多个线程之间访问 write() 方法是互斥的,线程 B 访问的时候必须要等待线程 A 访问结束,这无法体现出多线程的核心价值。


java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger 是一个提供原子操作的 Integer 类,它提供的加减操作是线程安全的。于是我们可以这样修改 Chenmo 类,代码示例如下。


class Chenmo {

   private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

   public void write() {

       System.out.println("我寻了半生的春天,你一笑便是了。");

       count.incrementAndGet();

   }

}



write() 方法不再需要 synchronized 关键字保持同步,于是多线程之间就不再需要以互斥的方式来调用该方法,可以在一定程度上提升统计的效率。


某一天,出版社统计稿费的形式变了,不仅要统计行数,还要统计字数,于是 Chenmo 类就需要再增加一个成员变量了。代码示例如下。


class Chenmo {

   private AtomicInteger lineCount = new AtomicInteger(0);

   private AtomicInteger wordCount = new AtomicInteger(0);

   public void write() {

       String words = "我这一辈子,走过许多地方的路,行过许多地方的桥,看过许多次的云,喝过许多种类的酒,却只爱过一个正当年龄的人。";

       System.out.println(words);

       lineCount.incrementAndGet();

       wordCount.addAndGet(words.length());

   }

}



你觉得这段代码是线程安全的吗?


结果显而易见,这段代码不是线程安全的。因为 lineCount 和 wordCount 是两个变量,尽管它们各自是线程安全的,但线程 A 进行 lineCount 加 1 的时候,并不能够保证线程 B 是在线程 A 执行完 wordCount 统计后开始 lineCount 加 1 的。




该怎么办呢?方法也很简单,代码示例如下。


class Chenmo {

   private int lineCount = 0;

   private int wordCount = 0;

   public void write() {

       String words = "我这一辈子,走过许多地方的路,行过许多地方的桥,看过许多次的云,喝过许多种类的酒,却只爱过一个正当年龄的人。";

       System.out.println(words);

     

       synchronized (this) {

           lineCount++;

           wordCount++;

       }

   }

}



对行数统计(lineCount++)和字数统计(wordCount++)的代码进行加锁,保证这两行代码是原子性的。也就是说,线程 B 在进行统计的时候,必须要等待线程 A 统计完之后再开始。


synchronized (lock) {...}是 Java 提供的一种简单的内置锁机制,用于保证代码块的原子性。线程在进入加锁的代码块之前自动获取锁,并且退出代码块的时候释放锁,可以保证一组语句作为一个不可分割的单元被执行。


相关文章
|
1月前
|
IDE Java 编译器
java编程最基础学习
Java入门需掌握:环境搭建、基础语法、面向对象、数组集合与异常处理。通过实践编写简单程序,逐步深入学习,打牢编程基础。
183 0
|
1月前
|
Java
如何在Java中进行多线程编程
Java多线程编程常用方式包括:继承Thread类、实现Runnable接口、Callable接口(可返回结果)及使用线程池。推荐线程池以提升性能,避免频繁创建线程。结合同步与通信机制,可有效管理并发任务。
144 6
|
1月前
|
安全 前端开发 Java
从反射到方法句柄:深入探索Java动态编程的终极解决方案
从反射到方法句柄,Java 动态编程不断演进。方法句柄以强类型、低开销、易优化的特性,解决反射性能差、类型弱、安全性低等问题,结合 `invokedynamic` 成为支撑 Lambda 与动态语言的终极方案。
145 0
|
2月前
|
SQL Java 数据库
2025 年 Java 从零基础小白到编程高手的详细学习路线攻略
2025年Java学习路线涵盖基础语法、面向对象、数据库、JavaWeb、Spring全家桶、分布式、云原生与高并发技术,结合实战项目与源码分析,助力零基础学员系统掌握Java开发技能,从入门到精通,全面提升竞争力,顺利进阶编程高手。
548 1
|
2月前
|
Java 开发者
Java并发编程:CountDownLatch实战解析
Java并发编程:CountDownLatch实战解析
437 100
|
1月前
|
JSON 网络协议 安全
【Java】(10)进程与线程的关系、Tread类;讲解基本线程安全、网络编程内容;JSON序列化与反序列化
几乎所有的操作系统都支持进程的概念,进程是处于运行过程中的程序,并且具有一定的独立功能,进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位一般而言,进程包含如下三个特征。独立性动态性并发性。
142 1
|
1月前
|
JSON 网络协议 安全
【Java基础】(1)进程与线程的关系、Tread类;讲解基本线程安全、网络编程内容;JSON序列化与反序列化
几乎所有的操作系统都支持进程的概念,进程是处于运行过程中的程序,并且具有一定的独立功能,进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位一般而言,进程包含如下三个特征。独立性动态性并发性。
160 1
|
2月前
|
数据采集 存储 弹性计算
高并发Java爬虫的瓶颈分析与动态线程优化方案
高并发Java爬虫的瓶颈分析与动态线程优化方案
Java 数据库 Spring
136 0
|
2月前
|
算法 Java
Java多线程编程:实现线程间数据共享机制
以上就是Java中几种主要处理多线程序列化资源以及协调各自独立运行但需相互配合以完成任务threads 的技术手段与策略。正确应用上述技术将大大增强你程序稳定性与效率同时也降低bug出现率因此深刻理解每项技术背后理论至关重要.
220 16
下一篇
oss云网关配置