如果保證多線程場景下的線程安全？

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1、引言

當前隨著計算機硬件的快速發(fā)展，個人電腦上的 CPU 也是多核的，現(xiàn)在普遍的 CUP 核數(shù)都是 4 核或者 8 核的。因此，在編寫程序時，需要為了提高效率，充分發(fā)揮硬件的能力，則需要編寫并行的程序。Java 語言作為互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的主要語言，廣泛應(yīng)用于企業(yè)應(yīng)用程序的開發(fā)中，它也是支持多線程（Multithreading）的，但多線程雖好，卻對程序的編寫有較高的要求。

單線程可以正確運行的程序不代表在多線程場景下能夠正確運行，這里的正確性往往不容易被發(fā)現(xiàn)，它會在并發(fā)數(shù)達到一定量的時候才可能出現(xiàn)。這也是在測試環(huán)節(jié)不容易重現(xiàn)的原因。因此，多線程（并發(fā)）場景下，如何編寫線程安全（Thread-Safety）的程序，對于程序的正確和穩(wěn)定運行有重要的意義。下面將結(jié)合示例，談?wù)勅绾卧?Java 語言中，實現(xiàn)線程安全的程序。

為了給出感性的認識，下面給出一個線程不安全的示例，具體如下：

package com.example.learn;
public class Counter {
    private static int counter = 0;
    public static int getCount(){
        return counter;
    }
    public static  void add(){
        counter = counter + 1;
    }
}1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.

這個類有一個靜態(tài)的屬性 counter，用于計數(shù)。其中可以通過靜態(tài)方法 add()對 counter 進行加 1 操作，也可以通過 getCount()方法獲取到當前的計數(shù) counter 值。如果是單線程情況下，這個程序是沒有問題的，比如循環(huán) 10 次，那么最后獲取的計數(shù) counter 值為 10。但多線程情況下，那么這個結(jié)果就不一定能夠正確獲取，可能等于 10，也可能小于 10，比如 9。下面給出一個多線程測試的示例：

package com.example.learn;
public class MyThread extends Thread{
    private String name ;
    public MyThread(String name){
        this.name = name ;
    }
    public void run(){
        Counter.add();
        System.out.println("Thead["+this.name+"] Count is "+  Counter.getCount());
    }
}
///////////////////////////////////////////////////////////
package com.example.learn;
public class Test01 {
    public static void main(String[] args) {
        for(int i=0;i<5000;i++){
            MyThread mt1 = new MyThread("TCount"+i);
            mt1.start();
        }
    }
}1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.21.

這里為了重現(xiàn)計數(shù)的問題，線程數(shù)調(diào)至比較大，這里是 5000。運行此示例，則輸出可能結(jié)果如下：

Thead[TCount5] Count is 4
Thead[TCount2] Count is 9
Thead[TCount4] Count is 4
Thead[TCount14] Count is 10
..................................
Thead[TCount4911] Count is 4997
Thead[TCount4835] Count is 4998
Thead[TCount4962] Count is 49991.2.3.4.5.6.7.8.

注意：多線程場景下，線程不安全的程序輸出結(jié)果具有不確定性。

2、synchronized 方法

基于上述的示例，讓其變成線程安全的程序，最直接的就是在對應(yīng)的方法上添加 synchronized 關(guān)鍵字，讓其成為同步的方法。它可以修飾一個類，一個方法和一個代碼塊。對上述計數(shù)程序進行修改，代碼如下:

package com.example.learn;
public class Counter {
    private static int counter = 0;
    public static int getCount(){
        return counter;
    }
    public static synchronized void add(){
        counter = counter + 1;
    }
}1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.

再次運行程序，則輸出結(jié)果如下：

......
Thead[TCount1953] Count is 4998
Thead[TCount3087] Count is 4999
Thead[TCount2425] Count is 50001.2.3.4.

3、加鎖機制

另外一種常見的同步方法就是加鎖，比如 Java 中有一種重入鎖 ReentrantLock，它是一種遞歸無阻塞的同步機制，相對于 synchronized 來說，它可以提供更加強大和靈活的鎖機制，同時可以減少死鎖發(fā)生的概率。示例代碼如下：

package com.example.learn;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class Counter {
    private  static int counter = 0;
    private static final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
    public static int getCount(){
        return counter;
    }
    public static  void add(){
        lock.lock();
        try {
            counter = counter + 1;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.

再次運行程序，則輸出結(jié)果如下:

......
Thead[TCount1953] Count is 4998
Thead[TCount3087] Count is 4999
Thead[TCount2425] Count is 50001.2.3.4.

注意：Java 中還提供了讀寫鎖 ReentrantReadWriteLock，這樣可以進行讀寫分離，效率更高。

4、使用 Atomic 對象

由于鎖機制會影響一定的性能，而有些場景下，可以通過無鎖方式進行實現(xiàn)。Java 內(nèi)置了 Atomic 相關(guān)原子操作類，比如 AtomicInteger,AtomicLong, AtomicBoolean 和 AtomicReference，可以根據(jù)不同的場景進行選擇。下面給出示例代碼：

package com.example.learn;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class Counter {
    private static final AtomicInteger counter = new AtomicInteger();
    public static int getCount(){
        return counter.get();
    }
    public static void add(){
        counter.incrementAndGet();
    }
}1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.

再次運行程序，則輸出結(jié)果如下：

......
Thead[TCount1953] Count is 4998
Thead[TCount3087] Count is 4999
Thead[TCount2425] Count is 50001.2.3.4.

5、無狀態(tài)對象

前面提到，線程不安全的一個原因就是多個線程同時訪問某個對象中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存在共享的情況，因此，如果將數(shù)據(jù)變成獨享的，即無狀態(tài)（stateless）的話，那么自然就是線程安全的。而所謂的無狀態(tài)的方法，就是給同樣的輸入，就能返回一致的結(jié)果。下面給出示例代碼:

package com.example.learn;
public class Counter {
    public static int sum (int n) {
        int ret = 0;
        for (int i = 1; i <= n; i++) {
            ret += i;
        }
        return ret;
    }
}1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.

6、不可變對象

前面提到，如果需要在多線程中共享一個數(shù)據(jù)，而這個數(shù)據(jù)給定值，就不能改變，那么也是線程安全的，相當于只讀的屬性。在 Java 中可以通過 final 關(guān)鍵字進行屬性修飾。下面給出示例代碼:

package com.example.learn;
public class Counter {
    public final int count ;
    public Counter (int n) {
        count = n;
    }
}1.2.3.4.5.6.7.

7、總結(jié)

前面提到了幾種線程安全的方法，總體的思想要不就是通過鎖機制實現(xiàn)同步，要不就是防止數(shù)據(jù)共享，防止在多個線程中對數(shù)據(jù)進行讀寫操作。另外，有些文章中說到，可以在變量前使用 volatile 修飾，來實現(xiàn)同步機制，但這個經(jīng)過測試是不一定的，有些場景下，volatile 依舊不能保證線程安全。雖然上述是線程安全的經(jīng)驗總結(jié)，但是還是需要通過嚴格的測試進行驗證，實踐是檢驗真理的唯一標準。