剑指JUC原理-4.共享资源和线程安全性（上）:https://developer.aliyun.com/article/1413590

情况5：

class Number{
 public static synchronized void a() {
 sleep(1);
 log.debug("1");
 }
 public synchronized void b() {
 log.debug("2");
 }
}
public static void main(String[] args) {
 Number n1 = new Number();
 new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
 new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
}

2 1s 后 1 这个情况其实和前面说的一样，实际上是关于锁对象的概念，就是如果给静态方法加锁，实际上的锁对象是类本身，而不是实例对象，而给普通方法加锁，锁对象是实例对象，所以自然是这个结果

情况6：

class Number{
 public static synchronized void a() {
 sleep(1);
 log.debug("1");
 }
 public static synchronized void b() {
 log.debug("2");
 }
}
public static void main(String[] args) {
 Number n1 = new Number();
 new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
 new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
}

1s 后12，或 2 1s后 1 实际上和情况1类似，只不过锁对象由实例对象替换成了类对象

情况7：

class Number{
 public static synchronized void a() {
 sleep(1);
 log.debug("1");
 }
 public synchronized void b() {
 log.debug("2");
 }
}
public static void main(String[] args) {
 Number n1 = new Number();
 Number n2 = new Number();
 new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
 new Thread(()->{ n2.b(); }).start();
}

2 1s 后 1 这个情况也非常好分析，锁对象不同

情况8：

class Number{
 public static synchronized void a() {
 sleep(1);
 log.debug("1");
 }
 public static synchronized void b() {
 log.debug("2");
 }
}
public static void main(String[] args) {
 Number n1 = new Number();
 Number n2 = new Number();
 new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
 new Thread(()->{ n2.b(); }).start();
}

1s 后12，或 2 1s后 1 该情况和前面情况重复，不在介绍

变量的线程安全分析

成员变量和静态变量是否线程安全？

如果它们没有共享，则线程安全

如果它们被共享了，根据它们的状态是否能够改变，又分两种情况

如果只有读操作，则线程安全
如果有读写操作，则这段代码是临界区，需要考虑线程安全

局部变量是否线程安全？

局部变量是线程安全的

但局部变量引用的对象则未必

如果该对象没有逃离方法的作用访问，它是线程安全的
如果该对象逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全

局部变量线程安全分析

public static void test1() {
 int i = 10;
 i++;
}

每个线程调用 test1() 方法时局部变量 i，会在每个线程的栈帧内存中被创建多份，因此不存在共享

局部变量的引用稍有不同

先看一个成员变量的例子

class ThreadUnsafe {
 ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
 public void method1(int loopNumber) {
 for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
 // { 临界区, 会产生竞态条件
  method2();
  method3();
 // } 临界区
 }
 }
 private void method2() {
 list.add("1");
 }
 private void method3() {
 list.remove(0);
 }
}

执行

static final int THREAD_NUMBER = 2;
static final int LOOP_NUMBER = 200;
public static void main(String[] args) {
 ThreadUnsafe test = new ThreadUnsafe();
 for (int i = 0; i < THREAD_NUMBER; i++) {
 new Thread(() -> {
 test.method1(LOOP_NUMBER);
 }, "Thread" + i).start();
 }
}

其中一种情况是，如果线程2 还未 add，线程1 remove 就会报错：

Exception in thread "Thread1" java.lang.IndexOutOfBoundsException: Index: 0, Size: 0 
 at java.util.ArrayList.rangeCheck(ArrayList.java:657) 
 at java.util.ArrayList.remove(ArrayList.java:496) 
 at cn.itcast.n6.ThreadUnsafe.method3(TestThreadSafe.java:35) 
 at cn.itcast.n6.ThreadUnsafe.method1(TestThreadSafe.java:26) 
 at cn.itcast.n6.TestThreadSafe.lambda$main$0(TestThreadSafe.java:14) 
 at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

分析：

无论哪个线程中的 method2 引用的都是同一个对象中的 list 成员变量
method3 与 method2 分析相同

将 list 修改为局部变量

class ThreadSafe {
 public final void method1(int loopNumber) {
 ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
 for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
 method2(list);
 method3(list);
 }
 }
 private void method2(ArrayList<String> list) {
 list.add("1");
 }
 private void method3(ArrayList<String> list) {
 list.remove(0);
 }
}

那么就不会有上述问题了

分析：

list 是局部变量，每个线程调用时会创建其不同实例，没有共享
而 method2 的参数是从 method1 中传递过来的，与 method1 中引用同一个对象
method3 的参数分析与 method2 相同

方法访问修饰符带来的思考，如果把 method2 和 method3 的方法修改为 public 会不会代理线程安全问题？

情况1：有其它线程调用 method2 和 method3，有可能被其他线程调用到，此时的list不一定是局部变量了

情况2：在情况1 的基础上，为 ThreadSafe 类添加子类，子类覆盖 method2 或 method3 方法，即

class ThreadSafe {
 public final void method1(int loopNumber) {
 ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
 for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
 method2(list);
 method3(list);
 }
 }
 private void method2(ArrayList<String> list) {
 list.add("1");
}
 public void method3(ArrayList<String> list) {
 list.remove(0);
 }
}
class ThreadSafeSubClass extends ThreadSafe{
 @Override
 public void method3(ArrayList<String> list) {
 new Thread(() -> {
 list.remove(0);
 }).start();
 }
}

从这个例子可以看出 private 或 final 提供【安全】的意义所在，请体会开闭原则中的【闭】

常见的线程安全类

String
Integer
StringBuffer
Random
Vector
Hashtable
java.util.concurrent 包下的类

这里说它们是线程安全的是指，多个线程调用它们同一个实例的某个方法时，是线程安全的。也可以理解为

Hashtable table = new Hashtable();
new Thread(()->{
 table.put("key", "value1");
}).start();
new Thread(()->{
 table.put("key", "value2");
}).start();

它们的每个方法是原子的

但注意它们多个方法的组合不是原子的

线程安全类方法的组合

分析下面代码是否线程安全？

Hashtable table = new Hashtable();
// 线程1，线程2
if( table.get("key") == null) {
 table.put("key", value);
}

不可变类线程安全性

String、Integer 等都是不可变类（只能读，不能改），因为其内部的状态不可以改变，因此它们的方法都是线程安全的

有同学或许有疑问，String 有 replace，substring 等方法【可以】改变值啊，那么这些方法又是如何保证线程安全的呢？

进入replace源码查看：

public String replace(char oldChar, char newChar) {
        if (oldChar != newChar) {
            int len = value.length;
            int i = -1;
            char[] val = value; /* avoid getfield opcode */
            while (++i < len) {
                if (val[i] == oldChar) {
                    break;
                }
            }
            if (i < len) {
                char buf[] = new char[len];
                for (int j = 0; j < i; j++) {
                    buf[j] = val[j];
                }
                while (i < len) {
                    char c = val[i];
                    buf[i] = (c == oldChar) ? newChar : c;
                    i++;
                }
                return new String(buf, true);
            }
        }
        return this;
    }

其实可以看到最终的返回是 return 了一个新的String对象，并不是改变值。

以一个例子来举例：

public class Immutable{
 private int value = 0;
 public Immutable(int value){
 this.value = value;
 }
 public int getValue(){
 return this.value;
 }
}

如果想增加一个增加的方法呢？

public class Immutable{
 private int value = 0;
 public Immutable(int value){
 this.value = value;
 }
 public int getValue(){
 return this.value;
 }
 public Immutable add(int v){
 return new Immutable(this.value + v);
 } 
}

实例分析

例1：

// 是否安全？
 Map<String,Object> map = new HashMap<>();
 // 是否安全？
 String S1 = "...";
 // 是否安全？
 final String S2 = "...";
 // 是否安全？
 Date D1 = new Date();
 // 是否安全？
 final Date D2 = new Date();

其中map不是线程安全的，map的线程安全由其他方式实现

s1 和 s2都是线程安全的

D1 不是线程安全的

D2 虽然加了final，但是日期是可变类，里面的值是可以改变的

例2：

public class MyServlet extends HttpServlet {
 // 是否安全？
 private UserService userService = new UserServiceImpl();
 public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
 userService.update(...);
 }
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
 // 记录调用次数
 private int count = 0;
 public void update() {
 // ...
 count++;
 }
}

并不是线程安全的，原因是 impl中有临界区资源没被控制

例3：

@Aspect
@Component
public class MyAspect {
 // 是否安全？
 private long start = 0L;
 @Before("execution(* *(..))")
 public void before() {
 start = System.nanoTime();
 }
 @After("execution(* *(..))")
 public void after() {
 long end = System.nanoTime();
 System.out.println("cost time:" + (end-start));
 }
}

还是存在线程安全的，spring是单例，所以临界区资源要被共享，如果想保证线程安全，那么可以使用环绕通知来实现，此时 start 和 after都是局部变量，那么此时就不存在线程安全问题了。

例4：

public class MyServlet extends HttpServlet {
 // 是否安全
 private UserService userService = new UserServiceImpl();
 public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
 userService.update(...);
 }
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
 // 是否安全
 private UserDao userDao = new UserDaoImpl();
 public void update() {
 userDao.update();
 }
}
public class UserDaoImpl implements UserDao { 
 public void update() {
 String sql = "update user set password = ? where username = ?";
 // 是否安全
 try (Connection conn = DriverManager.getConnection("","","")){
 // ...
 } catch (Exception e) {
 // ...
 }
 }
}

本质上是线程安全的，没有成员变量，Conn 属于一个方法内部的局部变量，每个线程得到的都是一个新的。

例5：

public class MyServlet extends HttpServlet {
 // 是否安全
 private UserService userService = new UserServiceImpl();
 public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
 userService.update(...);
 }
}
public class UserServiceImpl implements UserService { 
 public void update() {
 UserDao userDao = new UserDaoImpl();
 userDao.update();
 }
}
public class UserDaoImpl implements UserDao {
 // 是否安全
 private Connection = null;
 public void update() throws SQLException {
 String sql = "update user set password = ? where username = ?";
 conn = DriverManager.getConnection("","","");
 // ...
 conn.close();
 }
}

其中虽然UserDao 线程不安全，但是 UserServiceImpl它在局部变量中，不存在线程不安全

例7：

public void bar() {
 // 是否安全
 SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
 foo(sdf);
}
 public abstract foo(SimpleDateFormat sdf);
 public static void main(String[] args) {
 new Test().bar();
 }

其中还是有可能存在线程安全的问题，原因是因为，是局部变量还需要看看会不会暴漏给其他线程，也要看对象的引用是否泄露了

其中 foo 的行为是不确定的，可能导致不安全的发生，被称之为外星方法

public void foo(SimpleDateFormat sdf) {
 String dateStr = "1999-10-11 00:00:00";
 for (int i = 0; i < 20; i++) {
 new Thread(() -> {
 try {
 sdf.parse(dateStr);
 } catch (ParseException e) {
 e.printStackTrace();
 }
 }).start();
 }
}

其实在这里面也就可以理解了，String不设置为null，其子类就有可能覆盖其中的一些行为，导致线程不安全性。

卖票问题

class TicketWindow {
 private int count;
 public TicketWindow(int count) {
 this.count = count;
 }
 public int getCount() {
 return count;
 }
 public int sell(int amount) {
 if (this.count >= amount) {
 this.count -= amount;
 return amount;
 } else {
 return 0;
 }
 }
}
public static void main(String[] args) {
 TicketWindow ticketWindow = new TicketWindow(2000);
 List<Thread> list = new ArrayList<>();
 // 用来存储买出去多少张票
 List<Integer> sellCount = new Vector<>();
 for (int i = 0; i < 2000; i++) {
 Thread t = new Thread(() -> {
 // 分析这里的竞态条件
 int count = ticketWindow.sell(randomAmount());
 sellCount.add(count);
 });
 list.add(t);
 t.start();
 }
 list.forEach((t) -> {
 try {
 t.join();
 } catch (InterruptedException e) {
 e.printStackTrace();
 }
 });
 // 买出去的票求和
 log.debug("selled count:{}",sellCount.stream().mapToInt(c -> c).sum());
 // 剩余票数
 log.debug("remainder count:{}", ticketWindow.getCount());
 }
 // Random 为线程安全
 static Random random = new Random();
 // 随机 1~5
 public static int randomAmount() {
 return random.nextInt(5) + 1;
 }

这段代码中是存在线程安全的问题的，但是线程安全的问题不好复现，可以加上sleep来方便复现问题。

通过分析代码，发现是sell方法里面的临界资源出现了线程不安全的问题

解决方法就是再方法上加入 synchronized。

但是其实代码中还是存在很多细节的：

比如说，再线程中有一个sellCount.add的操作，这个操作其实是多线程操作，每一个线程都需要执行，而普通的list集合是线程不安全的，所以代码中使用的是 Vector，具体再java中源码如下：

ArrayList
public boolean add(E e) {
        ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }
Vector
public synchronized boolean add(E e) {
        modCount++;
        ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
        elementData[elementCount++] = e;
        return true;
    }

而后面还有一个list.add 这个没有用线程安全的集合实现，原因就是因为它是执行在主线程中，本身就不存在线程安全的问题。

转账问题

测试下面代码是否存在线程安全问题，并尝试改正

class Account {
 private int money;
 public Account(int money) {
  this.money = money;
 }
 public int getMoney() {
  return money;
 }
 public void setMoney(int money) {
  this.money = money;
 }
 public void transfer(Account target, int amount) {
  if (this.money > amount) {
    this.setMoney(this.getMoney() - amount);
    target.setMoney(target.getMoney() + amount);
  }
 }
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  Account a = new Account(1000);
  Account b = new Account(1000);
   Thread t1 = new Thread(() -> {
  for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    a.transfer(b, randomAmount());
  }
  }, "t1");
  Thread t2 = new Thread(() -> {
  for (int i = 0; i < 1000; i++) {
     b.transfer(a, randomAmount());
  }
  }, "t2");
  t1.start();
  t2.start();
  t1.join();
  t2.join();
  // 查看转账2000次后的总金额
  log.debug("total:{}",(a.getMoney() + b.getMoney()));
 }
 // Random 为线程安全
 static Random random = new Random();
 // 随机 1~100
 public static int randomAmount() {
 return random.nextInt(100) +1;
 }

其实根据卖票问题，代码中也是存在一个线程不安全问题的。但是不能像卖票问题一样，加一个锁就可以了，仔细分析一下发现 transfer中存在两个共享变量，money 和 target，如果对方法加synchronized ，实际上只对money这个共享变量上锁了，而 target并没有，解决办法其实就是对他们两个的父类上锁，也就是锁对象是Account.class。

剑指JUC原理-4.共享资源和线程安全性（下）