JavaWeb8-线程安全问题

目录

1.概念

1.1.单线程

1.2.多线程

2.导致线程不安全的5个因素

①抢占式执行（首要原因）

②多个线程同时修改了同一个变量

③非原子性操作

④内存可见性

⑤指令重排序

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• 线程优点：加速程序性能。
• 线程缺点：存在安全问题。

1.概念

线程不安全指的是程序在多线程的执行结果不符合预期。 例如：

1.1.单线程

public class ThreadDemo17 {static class Counter{//变量private int number = 0;//循环次数private int MAX_COUNT = 0;public Counter(int MAX_COUNT) {this.MAX_COUNT = MAX_COUNT;}//++方法public void incr() {for (int i = 0; i < MAX_COUNT; i++) {number++;}}//--方法public void decr() {for (int i = 0; i < MAX_COUNT; i++) {number--;}}public int getNumber() {return number;}}public static void main(String[] args) {Counter counter = new Counter(100000);//++操作counter.incr();//--操作counter.decr();//打印结果System.out.println("最终结果：" + counter.getNumber());}
}

1.2.多线程

public class ThreadDemo17 {static class Counter{//变量private int number = 0;//循环次数private int MAX_COUNT = 0;public Counter(int MAX_COUNT) {this.MAX_COUNT = MAX_COUNT;}//++方法public void incr() {for (int i = 0; i < MAX_COUNT; i++) {number++;}}//--方法public void decr() {for (int i = 0; i < MAX_COUNT; i++) {number--;}}public int getNumber() {return number;}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Counter counter = new Counter(100000);Thread t1 = new Thread(() -> {//++操作counter.incr();});Thread t2 = new Thread(() -> {//--操作counter.decr();});//启动多线程进行执行t1.start();t2.start();//等待两个线程执行完t1.join();t2.join();//打印结果System.out.println("最终结果：" + counter.getNumber());}
}

每次执行结果都不同。这就是线程不安全。

2.导致线程不安全的5个因素

①抢占式执行（首要原因）

由于CPU资源较少，而线程较多，狼多肉少，发生争抢混乱。

若将上面代码改为串行执行：线程1执行完之后，线程2再执行（相当于单线程效率），就不会争抢。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Counter counter = new Counter(100000);Thread t1 = new Thread(() -> {//++操作counter.incr();});t1.start();t1.join();Thread t2 = new Thread(() -> {//--操作counter.decr();});t2.start();t2.join();System.out.println("最终结果：" + counter.getNumber());}

②多个线程同时修改了同一个变量

改动代码，让不同线程各自修改各自的变量，就ok了。

public class ThreadDemo17 {static class Counter{//变量private int number = 0;//循环次数private int MAX_COUNT = 0;public Counter(int MAX_COUNT) {this.MAX_COUNT = MAX_COUNT;}//++方法public int incr() {int temp = 0;for (int i = 0; i < MAX_COUNT; i++) {temp++;}return temp;}//--方法public int decr() {int temp = 0;for (int i = 0; i < MAX_COUNT; i++) {temp--;}return temp;}public int getNumber() {return number;}}static int num1 = 0;static int num2 = 0;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Counter counter = new Counter(100000);Thread t1 = new Thread(() -> {//++操作num1 = counter.incr();});Thread t2 = new Thread(() -> {//--操作num2 = counter.decr();});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println("最终结果：" + (num1 + num2));}
}

③非原子性操作

什么是原子性？ ——将一组操作封装成一个执行单元，要一次性执行完，中间不能停顿。

一条 java 语句不一定是原子的，也不一定只是一条指令。

⽐如刚才的 n++，其实是由三步操作组成的：

1. 从内存把数据读到 CPU
2. 进⾏数据更新
3. 把数据写回到 CPU

不保证原子性会给多线程带来什么问题？

如果⼀个线程正在对⼀个变量操作，中途其他线程插⼊进来了，如果这个操作被打断了，结果就可能是错误的。

这点也和线程的抢占式调度密切相关. 如果线程不是 "抢占" 的, 就算没有原⼦性, 也问题不⼤。

例如：

把⼀段代码想象成⼀个房间，每个线程就是要进⼊这个房间的⼈。如果没有任何机制保证，A进⼊房间后还没出来，B 也进⼊房间，打断 A 在房间⾥的隐私。这就是不具备原⼦性的。

如何解决？

给房间加⼀把锁，A 进去就把⻔锁上，其他⼈就进不来了。这样就保证了这段代码的原⼦性了。

有时也把这个现象叫做同步互斥，表示操作是互相排斥的。

改为串行执行即可。

④内存可见性

可见性指, ⼀个线程对共享变量值的修改，能够及时地被其他线程看到。

Java 内存模型 (JMM-JavaMemoryModel)：Java虚拟机规范中定义了Java内存模型。

目的是屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到⼀致的并发效果。

• 线程之间的共享变量存在于"主内存" (Main Memory).
• 每⼀个线程都有⾃⼰的 "⼯作内存" (Working Memory) .
• 当线程要读取⼀个共享变量的时候, 会先把变量从主内存拷⻉到⼯作内存, 再从⼯作内存读取数据.
• 当线程要修改⼀个共享变量的时候, 也会先修改⼯作内存中的副本, 再同步回主内存.

由于每个线程有自己的工作内存, 这些工作内存中的内容相当于同⼀个共享变量的 "副本". 此时修改线程1 的⼯作内存中的值, 线程2 的⼯作内存不⼀定会及时变化. 而JMM 带来的问题是会导致线程非安全问题的发生。

import java.time.LocalDateTime;/*** 内存可见性问题*/
public class ThreadDemo18 {//全局变量（类级别）private static boolean flag = true;public static void main(String[] args) {//创建子线程1Thread t1 = new Thread(() -> {System.out.println("线程 1：开始执行！" + LocalDateTime.now());while(flag) {}System.out.println("线程 1：结束执行！" + LocalDateTime.now());});t1.start();//创建子线程2Thread t2 = new Thread(() -> {//休眠1stry {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("线程 2：修改 flag = false！" + LocalDateTime.now());flag = false;});t2.start();}
}

线程2早已把全局变量修改为另一个值，而线程1一直在执行，它并没有感知到全局变量flag的变化，这就是内存可见性问题。

⑤指令重排序

有很多种：

1. 编译器指令重排序
2. 运行期指令重排序

编译器优化是一件非常复杂的事情，其本质是调整代码的执⾏顺序，保证原有逻辑不变的情况下，提高程序执行效率。这在单线程下没问题，但在多线程并发情况下容易出现混乱，从而造成线程安全问题。