面試題：

• 什么是線程安全和線程不安全？
• 自增運(yùn)算是不是線程安全的？如何保證多線程下 i++ 結(jié)果正確？

1. 什么是線程安全和線程不安全？

什么是線程安全呢？當(dāng)多個(gè)線程并發(fā)訪問某個(gè)Java對象時(shí)，無論系統(tǒng)如何調(diào)度這些線程，也無論這些線程將如何交替操作，這個(gè)對象都能表現(xiàn)出一致的、正確的行為，那么對這個(gè)對象的操作是線程安全的。

如果這個(gè)對象表現(xiàn)出不一致的、錯(cuò)誤的行為，那么對這個(gè)對象的操作不是線程安全的，發(fā)生了線程的安全問題。

2. 自增運(yùn)算為什么不是線程安全的？

線程安全實(shí)驗(yàn)：兩個(gè)線程對初始值為 0 的靜態(tài)變量一個(gè)做自增，一個(gè)做自減，各做 5000 次，結(jié)果是 0 嗎？具體的代碼如下

public class ThreadDemo {
    private static int i = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 線程1對變量i做5000次自增運(yùn)算
         Thread t1 = new Thread(()->{
             for(int j=0;j<5000;j++){
                 i++;
             }
         });
         Thread t2 = new Thread(()->{
             for(int j=0;j<5000;j++){
                 i--;
             }
         });
         t1.start();
         t2.start();
         // 主線程等待t1線程和t2線程執(zhí)行結(jié)束再繼續(xù)執(zhí)行
         t1.join();
         t2.join();
        System.out.println(i);// 581 / -1830 / 0
    }
}

以上的結(jié)果可能是正數(shù)、負(fù)數(shù)、零。為什么呢？因?yàn)?Java 中對靜態(tài)變量的自增，自減并不是原子操作，要徹底理解，必須從字節(jié)碼來進(jìn)行分析。

例如對于 i++ 而言，實(shí)際會(huì)產(chǎn)生如下的 JVM 字節(jié)碼指令：

getstatic i  // 獲取靜態(tài)變量i的值
iconst_1     // 準(zhǔn)備常量1
iadd         // 自增
putstatic i  // 將修改后的值存入靜態(tài)變量i

而對應(yīng) i-- 也是類似：

getstatic i  // 獲取靜態(tài)變量i的值
iconst_1     // 準(zhǔn)備常量1
isub         // 自減
putstatic i  // 將修改后的值存入靜態(tài)變量

而 Java 的內(nèi)存模型如下，完成靜態(tài)變量的自增，自減需要在主存和工作內(nèi)存中進(jìn)行數(shù)據(jù)交換：

如果是單線程以上 8 行代碼是順序執(zhí)行（不會(huì)交錯(cuò)）沒有問題：

但多線程下這 8 行代碼可能交錯(cuò)運(yùn)行：

出現(xiàn)負(fù)數(shù)的情況：

出現(xiàn)正數(shù)的情況：

因此，一個(gè)自增運(yùn)算符是一個(gè)復(fù)合操作，至少包括三個(gè)JVM指令：“內(nèi)存取值”“寄存器增加1”和“存值到內(nèi)存”。這三個(gè)指令在JVM內(nèi)部是獨(dú)立進(jìn)行的，中間完全可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)線程并發(fā)進(jìn)行。“內(nèi)存取值”“寄存器增加1”和“存值到內(nèi)存”這三個(gè)JVM指令本身是不可再分的，它們都具備原子性，是線程安全的，也叫原子操作。但是，兩個(gè)或者兩個(gè)以上的原子操作合在一起進(jìn)行操作就不再具備原子性了。比如先讀后寫，就有可能在讀之后，其實(shí)這個(gè)變量被修改了，出現(xiàn)讀和寫數(shù)據(jù)不一致的情況。

3. 臨界區(qū)資源和競態(tài)條件

在多個(gè)線程操作相同資源（如變量、數(shù)組或者對象）時(shí)就可能出現(xiàn)線程安全問題。一般來說，只在多個(gè)線程對這個(gè)資源進(jìn)行寫操作的時(shí)候才會(huì)出現(xiàn)問題，如果是簡單的讀操作，不改變資源的話，顯然是不會(huì)出現(xiàn)問題的。

臨界區(qū)資源表示一種可以被多個(gè)線程使用的公共資源或共享數(shù)據(jù)，但是每一次只能有一個(gè)線程使用它。一旦臨界區(qū)資源被占用，想使用該資源的其他線程則必須等待。在并發(fā)情況下，臨界區(qū)資源是受保護(hù)的對象。

臨界區(qū)代碼段是每個(gè)線程中訪問臨界資源的那段代碼，多個(gè)線程必須互斥地對臨界區(qū)資源進(jìn)行訪問。線程進(jìn)入臨界區(qū)代碼段之前，必須在進(jìn)入?yún)^(qū)申請資源，申請成功之后執(zhí)行臨界區(qū)代碼段，執(zhí)行完成之后釋放資源。臨界區(qū)代碼段的進(jìn)入和退出如圖所示：

競態(tài)條件可能是由于在訪問臨界區(qū)代碼段時(shí)沒有互斥地訪問而導(dǎo)致的特殊情況。如果多個(gè)線程在臨界區(qū)代碼段的并發(fā)執(zhí)行結(jié)果可能因?yàn)榇a的執(zhí)行順序不同而不同，我們就說這時(shí)在臨界區(qū)出現(xiàn)了競態(tài)條件問題。

比如下面代碼中的臨界區(qū)資源和臨界區(qū)代碼段：

public class SafeDemo {
    // 臨界區(qū)資源
    private static int i = 0;
    // 臨界區(qū)代碼段
    public void selfIncrement(){
        for(int j=0;j<5000;j++){
            i++;
        }
    }
    // 臨界區(qū)代碼段
    public void selfDecrement(){
        for(int j=0;j<5000;j++){
            i--;
        }
    }
	// 這個(gè)不是臨界區(qū)代碼，因?yàn)殡m然使用了共享資源，但是這個(gè)方法并沒有被多個(gè)線程同時(shí)訪問
    public int getI(){
        return i;
    }
}

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SafeDemo safeDemo = new SafeDemo();
        Thread t1 = new Thread(()->{
            safeDemo.selfIncrement();
        });
        Thread t2 = new Thread(()->{
            safeDemo.selfDecrement();
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(safeDemo.getI());
    }
}

當(dāng)多個(gè)線程訪問臨界區(qū)的selfIncrement()方法時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)競態(tài)條件的問題。更標(biāo)準(zhǔn)地說，當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)線程競爭同一個(gè)資源時(shí)，對資源的訪問順序就變得非常關(guān)鍵。為了避免競態(tài)條件的問題，我們必須保證臨界區(qū)代碼段操作具備排他性。這就意味著當(dāng)一個(gè)線程進(jìn)入臨界區(qū)代碼段執(zhí)行時(shí)，其他線程不能進(jìn)入臨界區(qū)代碼段執(zhí)行。

總結(jié)：

(1) 一個(gè)程序運(yùn)行多個(gè)線程本身是沒有問題的，問題出在多個(gè)線程訪問共享資源，多個(gè)線程讀共享資源其實(shí)也沒有問題，而在多個(gè)線程對共享資源讀寫操作時(shí)發(fā)生指令交錯(cuò)，就會(huì)出現(xiàn)問題 ;

(2) 一段代碼塊內(nèi)如果存在對共享資源的多線程讀寫操作，稱這段代碼塊為臨界區(qū)代碼塊；

(3) 多個(gè)線程在臨界區(qū)內(nèi)執(zhí)行，由于代碼的執(zhí)行序列不同而導(dǎo)致結(jié)果無法預(yù)測，稱之為發(fā)生了競態(tài)條件;

在Java中，可以使用synchronized關(guān)鍵字，使用Lock顯式鎖實(shí)例，或者使用原子變量（AtomicVariables）對臨界區(qū)代碼段進(jìn)行排他性保護(hù)。

本篇文章就到這里了，希望能夠給你帶來幫助，也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容!      

最新評論