线程安全
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1.什么是线程安全
场景:用两个线程同时对一个变量进行5万次自增操作,预期结果是自增10万次。
public class demo1 { private static int num=50000; public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Counter counter = new Counter(); Thread t1=new Thread(()->{ for (int i = 0; i < num; i++) { counter.increase(); } }); Thread t2=new Thread(()->{ for (int i = 0; i < num; i++) { counter.increase(); } }); t1.start(); t2.start(); t1.join(); t2.join(); System.out.println(counter.count); } } class Counter{ public int count =0; public void increase(){ count++; } }
结果如下
和我们预期的结果10000
不一样,因此这种现象称为线程不安全。
2.为什么会造成线程不安全
2.1线程抢占式的执行
我们知道线程的执行顺序并不是我们代码中的顺序执行的,抢占式执行是造成线程不安全的主要原因。
2.2 多个线程修改同一变量
当多个线程对同一个变量修改时由于线程的执行是抢占式的,因此导致了线程不安全
2.3 原子性
当我们在要执行自增操作时,count
在CPU中通过指令进行自增
- 从内存或者寄存器中把count读出来 LOAD
- 执行自增操作 ADD
- 将计算结果写回内存或寄存器 STORE
当指令的执行按着以下的顺序执行时,保证了线程的原子性,这时我们就能得到我们预期的结果
当时当执行顺序出现了下面的情况时,还能得到我们预期的结果吗
这时的在CPU中的count的变化如下
指令执行前 count=0;
- t2获取count的值 count=0
- t1获取count的值 count=0
- t2进行ADD指令 count=1
- t1进行ADD指令 count=1
- t2写回count 的值
- t1写回count 的值
看似count在两个线程中分别进行了自增的操作,实际上在内存中的count只进行了一次自增操作(t2 最后将count的值写回内存后,t1再次将count的值写回到的内存,并覆盖了t2返回的值)。
2.4内存可见性
这里我们介绍一下JMM(Java Memory Model)
Java内存模型
这里的主内存是Java虚拟机中的内存。
在JMM中每一个工作内存都是独立的,相互之间不可以访问
而内存可见性就是保证当一个线程改变了一个变量的值时,其他线程也能感知到变量的值发生了变化
因此JMM规定了
- 所有线程不能直接修改主内存中的共享变量
- 如果要修改内存中的变量,就需要把这个变量从主内存中复制到自己的工作内存中,修改完后再将数据刷新回主内存中
- 各个线程之间不能相互通信,做到内存级别的线程隔离
2.5 指令重排序
指令重排序,调整了代码的执行顺序,提高了代码的运行效率,在单线程中指令重排序对其没有影响,但由于多线程的执行顺序是抢占式的,代码执行顺序的调整,会出现难以预料的结果。
因此指令发生重排序的条件是
- 结果必须正确
- 重排序的操作逻辑上互不相干
总结
线程安全产生的原因
- 线程在CPU上是抢占式执行,抢占CPU资源是没有顺序的(程序猿无法处理)
- 多个线程修改了同一变量的值
- 指令执行没有保证原子性
- 修改变量时没有保证内存可见性
- 程序在编译时,可能会存在指令重排序
3.如何解决线程安全问题
要想解决线程安全问题,最最主要的是将线程的执行变为原子操作
那么该如何解决呢?这时我们就要进行加锁操作。
如上图当多个线程中的一个线程在执行自增操作时,自增之前进行加锁,自增操作结束后,进行解锁。使其他线程无法对count进行操作,让其他线程处于阻塞状态。
Java中加锁操作,需要用到synchronized
关键字
class Counter2{ public int count =0; public synchronized void increase(){ count++; } }
加锁以后,其他线程就处于阻塞状态,这时程序由并行变成了串行,而大大的降低了运行效率,但是保证了线程安全。
这时我们就能很好的理解在学习String时,StringBuilder
和StringBuffr
的区别了。
对于synchronized
关键字,我们下回分析。
加锁以后,其他线程就处于阻塞状态,这时程序由并行变成了串行,而大大的降低了运行效率,但是保证了线程安全。
这时我们就能很好的理解在学习String时,StringBuilder
和StringBuffr
的区别了。