线程安全
线程安全
提示
线程安全、临界区、竞态是学习多线程的过程中，经常遇到的几个概念。因此，本节我们就来详细讲解一下这它们，为以后的学习做铺垫。那么，线程安全中的安全两字如何理解呢？什么样的代码是线程安全的代码？什么样的代码线程不安全的代码？如何做到线程安全？围绕着这几个问题，我们开始本节的学习。
一、线程安全概念
在Java中，线程安全或不安全描述的对象既可以是类，也可以是函数。
对于函数来说，两个线程并发执行某个函数，因为线程切换，两个线程执行的指令之间可以任意交叉执行，如下所示，如果任意执行顺序最终得到的结果都是相同的、确定的、符合预期的，那么，我们就称这个函数是线程安全的，否则，我们就称为这个函数是线程不安全的，或者非线程安全的。
对于类来说，除了要求类中的每个函数都是线程安全的之外，如果两个线程并发执行一个类的任意两个不同的函数，两个线程执行的指令之间可以任意交叉执行，如果任意执行顺序最终得到的结果都是相同的、确定的、符合预期的，那么，我们就称这个类是线程安全的，否则，我们就称这个类是线程不安全的，或者非线程安全的。
也就是说，如果一个类是线程安全的，那么，所有的函数都是线程安全的，如果一个类的所有的函数都是线程安全的，那么，并不能推出这个类就一定是线程安全的。
二、临界区和竞态
我们把有可能引起线程不安全的局部代码块，叫做临界区（Critical Section）。我们把两个线程竞争执行临界区的这种状态，叫做竞态（Race Condition）。两个线程处于竞态执行临界区，就有可能执行出错。
具体来讲，什么样的代码才是临界区呢？临界区一般包含以下两个特征。
1）访问共享资源
共享资源包括类中的成员变量、通过函数参数传递进来的共享对象等。如果某个函数只访问局部变量，而局部变量存储在栈中供线程独享，那么，这个函数就不存在线程安全问题。除此之外，如果代码只包含对共享资源的读操作，那么，这段代码一般也不会存在线程安全问题。
2）包含复合操作
复合操作由多个操作组成，比如先检查再执行、先读取再修改后写入。这些复合操作一般都是非原子操作。实际上，之前讲到的非双重检测的单例就属于先检查再执行这类复合操作，自增操作就属于先读取再修改后写入这类复合操作。除此之外，往LinkedList、HashMap中添加元素，底层都是复合操作。
// 先检查再执行
public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
// 先读取在修改后写入
public class Demo {
private int count = 0;
public void increment() {
count++;
}
}
三、线程安全分析
在平时的开发中，尽管我们很少编写多线程代码，但是，我们编写的代码常常会运行在框架、容器中，框架、容器往往会使用多线程，并发执行我们编写的代码，因此，学会编写线程安全的代码非常重要。不过，要想写出线程安全的代码，首先要能查找到哪些代码线程不安全。
前面已经对线程安全和不安全做了一些介绍。线程不安全的代码一般都会存在临界区和竞态。不过，临界区和竞态是线程不安全的必要条件，而非充分条件，也就是说，两个线程并发竞争执行访问共享资源并且包含复合操作的代码，并不一定就会出问题。代码存在临界区和竞态，只能说明代码存在线程不安全的风险，我们需要继续深入分析，看两个线程交叉执行临界区，是否真的存在执行结果不确定、不符合预期的情况。
我们举个例子进一步解释一下，如何分析是否线程安全。示例代码如下所示。
public class Counter {
private int count = 0;
public void add(int value) {
count += value;
}
public void substract(int value) {
count -= value;
}
}
在上述代码中，add()函数访问共享资源（count），并且包含复合操作（count+=value类似自增操作），因此add()函数是临界区。在竞态下，也就是两个线程并发交叉执行add()函数中的代码，就有可能出现结果不符合预期的情况，比如count原本是0，两个线程同时执行add(5)，最后count值有可能为5而非10。因此，add()函数是线程不安全的。同理，substract()函数也是线程不安全的。
不仅如此，如果一个线程执行add()函数，另一个线程执行substract()函数，两个线程交叉并发执行，那么结果有可能不符合预期，如下图举例所示。
除此之外，如果临界区访问的共享资源有多个，那么，我们还需要查看指令重排序是否会影响执行结果，导致线程不安全，比如第30节中例子，如下所示。
public class Demo {
private static boolean ready = false;
private static int value = 1;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
while (!ready) {
}
System.out.println(value);
}
});
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
value = 2;
ready = true;
}
});
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
}
}
在分析代码是否线程安全时，我们还需要关注，代码中所使用的其他类或函数是否线程安全，是否会引起自己编写的类或函数的线程安全性问题。除此之外，特别需要注意的是，使用线程安全的类或函数编写的代码，也不一定是线程安全的，示例代码如下所示。
public class IdGenerator {
private int seq = 1;
public synchronized int incrementAndGet() {
seq++;
return seq;
}
public synchronized boolean checkOdd() {
if (seq % 2 == 1) return true;
else return false;
}
}
public class Demo {
private IdGenerator idGen = new IdGenerator();
public void test() {
if (idGen.checkOdd()) { //获取偶数并使用
int id = idGen.incrementAndGet();
System.out.println(id);
}
}
}
在上述代码中，尽管IdGenertor是线程安全的（使用了synchronized锁，关于synchronized锁，我们下一节讲解） ，但使用线程安全的IdGenerator类编写的test()方法，却不是线程安全的。在单线程环境下，test()函数的打印结果永远都是偶数，但是在多线程环境下，两个线程竞争执行test()函数，有可能会打印出奇数，不符合我们的预期。
四、互斥和同步
以上我们讲解了几种线程不安全的代码，对于指令重排导致的线程不安全问题，我们可以使用volatile关键字来禁止指令重排序。不过，这种线程不安全的情况并不常见。最常见的是非原子操作多线程交叉执行导致的线程不安全问题。对应的解决的方法是，通过对临界区加锁，让临界区变为原子操作。一个线程执行完临界区代码之后，才允许下一个线程执行。
对临界区加锁，让临界区变为原子操作，目的是让多个线程互斥访问临界区。互斥是多线程要解决的两个核心问题之一，而另一个核心问题是同步。同步指的是多个线程之间如何协同执行，比如一个线程等待另一个线程执行完成之后再执行。
实际上，专栏中的多线程模块很大部分都是在讲如何互斥和同步。专栏中的多线程模块主要包括5部分：基础理论、互斥锁、同步工具、并发容器、线程管理。其中，互斥锁部分主要讲解实现临界区互斥的手段，提供了各种不同粒度和作用的锁，比如读写锁、原子类、偏向锁、轻量级锁、自旋锁等，最大限度的减小加锁范围、提高代码并发执行程度。同步工具主要包括条件变量、信号量、Latch、Barrier等，用来实现各种线程协作模式。并发容器部分讲解了一些线程安全的容器（比如ConcurrentHashMap）以及支持线程同步的容器（比如各种阻塞队列），方便程序员直接使用，不用自己从零开始实现。
五、课后思考题
请举几个工作中遇到的线程不安全的代码例子，对照一下是否符合我们讲到的临界区的两个特点（访问共享资源和包含复合操作）。