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5个步骤,教你瞬间明白线程和线程安全

标签:JAVA,线程安全,并发编程 发布于 2018-09-10 18:43:48

记得今年3月份刚来杭州面试的时候,有一家公司的技术总监问了我这样一个问题:你来说说有哪些线程安全的类?我心里一想,这我早都背好了,稀里哗啦说了一大堆。


他又接着问:那你再来说说什么是线程安全?——然后我就GG了。说真的,我们整天说线程安全,但是对于什么是线程安全我们真的了解吗?之前的我真的是了解甚微,那么我们今天就来聊聊这个问题。


在探讨线程安全之前,我们先来聊聊什么是进程。


什么是进程?


电脑中时会有很多单独运行的程序,每个程序有一个独立的进程,而进程之间是相互独立存在的。比如下图中的QQ、酷狗播放器、电脑管家等等。


images/Rjdn7bacpxYpRHAmsPfnGAmrmBGH2mzB.jpg


什么是线程?


进程想要执行任务就需要依赖线程。换句话说,就是进程中的最小执行单位就是线程,并且一个进程中至少有一个线程。


那什么是多线程?提到多线程这里要说两个概念,就是串行和并行,搞清楚这个,我们才能更好地理解多线程。


所谓串行,其实是相对于单条线程来执行多个任务来说的,我们就拿下载文件来举个例子:当我们下载多个文件时,在串行中它是按照一定的顺序去进行下载的,也就是说,必须等下载完A之后才能开始下载B,它们在时间上是不可能发生重叠的。

images/taX5XMCnXFmw7Fd2aDBjXs5BY5HaN6ea.jpg

并行:下载多个文件,开启多条线程,多个文件同时进行下载,这里是严格意义上的,在同一时刻发生的,并行在时间上是重叠的。


images/5GFEpXwHAaifmibiw2YE3tsSYHSY4FTa.jpg

了解了这两个概念之后,我们再来说说什么是多线程。举个例子,我们打开腾讯管家,腾讯管家本身就是一个程序,也就是说它就是一个进程,它里面有很多的功能,我们可以看下图,能查杀病毒、清理垃圾、电脑加速等众多功能。


按照单线程来说,无论你想要清理垃圾、还是要病毒查杀,那么你必须先做完其中的一件事,才能做下一件事,这里面是有一个执行顺序的。


如果是多线程的话,我们其实在清理垃圾的时候,还可以进行查杀病毒、电脑加速等等其他的操作,这个是严格意义上的同一时刻发生的,没有执行上的先后顺序。

images/GcnYfa37dyK8Y7xwwCrKbaKKiHZrSzpA.jpg


以上就是,一个进程运行时产生了多个线程。


在了解完这个问题后,我们又需要去了解一个使用多线程不得不考虑的问题——线程安全。


今天我们不说如何保证一个线程的安全,我们聊聊什么是线程安全?因为我之前面试被问到了,说真的,我之前真的不是特别了解这个问题,我们好像只学了如何确保一个线程安全,却不知道所谓的安全到底是什么!


什么是线程安全?


既然是线程安全问题,那么毫无疑问,所有的隐患都是在多个线程访问的情况下产生的,也就是我们要确保在多条线程访问的时候,我们的程序还能按照我们预期的行为去执行,我们看一下下面的代码。

Integer count = 0;

   public void getCount() {

       count ++;
       System.out.println(count);
   }


很简单的一段代码,下面我们就来统计一下这个方法的访问次数,多个线程同时访问会不会出现什么问题,我开启的3条线程,每个线程循环10次,得到以下结果:

images/tG33S5msRtJCBF3bJNRhkdh33G7GiPXb.jpg


我们可以看到,这里出现了两个26,出现这种情况显然表明这个方法根本就不是线程安全的,出现这种问题的原因有很多。


最常见的一种,就是我们A线程在进入方法后,拿到了count的值,刚把这个值读取出来,还没有改变count的值的时候,结果线程B也进来的,那么导致线程A和线程B拿到的count值是一样的。


那么由此我们可以了解到,这确实不是一个线程安全的类,因为他们都需要操作这个共享的变量。其实要对线程安全问题给出一个明确的定义,还是蛮复杂的,我们根据我们这个程序来总结下什么是线程安全。


当多个线程访问某个方法时,不管你通过怎样的调用方式、或者说这些线程如何交替地执行,我们在主程序中不需要去做任何的同步,这个类的结果行为都是我们设想的正确行为,那么我们就可以说这个类是线程安全的。  


搞清楚了什么是线程安全,接下来我们看看Java中确保线程安全最常用的两种方式。先来看段代码。

public void threadMethod(int j) {

    int i = 1;

    j = j + i;
}


大家觉得这段代码是线程安全的吗?


毫无疑问,它绝对是线程安全的,我们来分析一下,为什么它是线程安全的?


我们可以看到这段代码是没有任何状态的,就是说我们这段代码,不包含任何的作用域,也没有去引用其他类中的域进行引用,它所执行的作用范围与执行结果只存在它这条线程的局部变量中,并且只能由正在执行的线程进行访问。当前线程的访问,不会对另一个访问同一个方法的线程造成任何的影响。


两个线程同时访问这个方法,因为没有共享的数据,所以他们之间的行为,并不会影响其他线程的操作和结果,所以说无状态的对象,也是线程安全的。


添加一个状态呢?


如果我们给这段代码添加一个状态,添加一个count,来记录这个方法并命中的次数,每请求一次count+1,那么这个时候这个线程还是安全的吗?

public class ThreadDemo {

   int count = 0; // 记录方法的命中次数

   public void threadMethod(int j) {

       count++ ;

       int i = 1;

       j = j + i;
   }
}


很明显已经不是了,单线程运行起来确实是没有任何问题的,但是当出现多条线程并发访问这个方法的时候,问题就出现了,我们先来分析下count+1这个操作。


进入这个方法之后首先要读取count的值,然后修改count的值,最后才把这把值赋值给count,总共包含了三步过程:“读取”一>“修改”一>“赋值”,既然这个过程是分步的,那么我们先来看下面这张图,看看你能不能看出问题:


images/kWjMeaK436YKHSz7Rk6PW7FZ82cB7nHi.jpg


可以发现,count的值并不是正确的结果,当线程A读取到count的值,但是还没有进行修改的时候,线程B已经进来了,然后线程B读取到的还是count为1的值,正因为如此所以我们的count值已经出现了偏差,那么这样的程序放在我们的代码中,是存在很多的隐患的。


如何确保线程安全?


既然存在线程安全的问题,那么肯定得想办法解决这个问题,怎么解决?我们说说常见的几种方式。


1、synchronized


synchronized关键字,就是用来控制线程同步的,保证我们的线程在多线程环境下,不被多个线程同时执行,确保我们数据的完整性,使用方法一般是加在方法上。

public class ThreadDemo {

   int count = 0; // 记录方法的命中次数

   public synchronized void threadMethod(int j) {

       count++ ;

       int i = 1;

       j = j + i;
   }
}

这样就可以确保我们的线程同步了,同时这里需要注意一个大家平时忽略的问题,首先synchronized锁的是括号里的对象,而不是代码,其次,对于非静态的synchronized方法,锁的是对象本身也就是this。


当synchronized锁住一个对象之后,别的线程如果想要获取锁对象,那么就必须等这个线程执行完释放锁对象之后才可以,否则一直处于等待状态。


注意点:虽然加synchronized关键字,可以让我们的线程变得安全,但是我们在用的时候,也要注意缩小synchronized的使用范围,如果随意使用时很影响程序的性能,别的对象想拿到锁,结果你没用锁还一直把锁占用,这样就有点浪费资源。


2、Lock


先来说说它跟synchronized有什么区别吧,Lock是在Java1.6被引入进来的,Lock的引入让锁有了可操作性,什么意思?就是我们在需要的时候去手动的获取锁和释放锁,甚至我们还可以中断获取以及超时获取的同步特性,但是从使用上说Lock明显没有synchronized使用起来方便快捷。我们先来看下一般是如何使用的:

private Lock lock = new ReentrantLock(); // ReentrantLock是Lock的子类

   private void method(Thread thread){
       lock.lock(); // 获取锁对象
       try {
           System.out.println("线程名:"+thread.getName() + "获得了锁");
           // Thread.sleep(2000);
       }catch(Exception e){
           e.printStackTrace();
       } finally {
           System.out.println("线程名:"+thread.getName() + "释放了锁");
           lock.unlock(); // 释放锁对象
       }
   }


进入方法我们首先要获取到锁,然后去执行我们业务代码,这里跟synchronized不同的是,Lock获取的所对象需要我们亲自去进行释放,为了防止我们代码出现异常,所以我们的释放锁操作放在finally中,因为finally中的代码无论如何都是会执行的。


写个主方法,开启两个线程测试一下我们的程序是否正常:

public static void main(String[] args) {
       LockTest lockTest = new LockTest();

       // 线程1
       Thread t1 = new Thread(new Runnable() {

           @Override
           public void run() {
               // Thread.currentThread()  返回当前线程的引用
               lockTest.method(Thread.currentThread());
           }
       }, "t1");

       // 线程2
       Thread t2 = new Thread(new Runnable() {

           @Override
           public void run() {
               lockTest.method(Thread.currentThread());
           }
       }, "t2");

       t1.start();
       t2.start();
   }


结果:

images/MtrhJxKHt8ssdfRJttmY6QYJppFdE2H4.jpg


可以看出我们的执行,是没有任何问题的。


其实在Lock还有几种获取锁的方式,我们这里再说一种,就是tryLock()这个方法跟Lock()是有区别的,Lock在获取锁的时候,如果拿不到锁,就一直处于等待状态,直到拿到锁,但是tryLock()却不是这样的,tryLock是有一个Boolean的返回值的,如果没有拿到锁,直接返回false,停止等待,它不会像Lock()那样去一直等待获取锁。


我们来看下代码:

private void method(Thread thread){
       // lock.lock(); // 获取锁对象
       if (lock.tryLock()) {
           try {
               System.out.println("线程名:"+thread.getName() + "获得了锁");
               // Thread.sleep(2000);
           }catch(Exception e){
               e.printStackTrace();
           } finally {
               System.out.println("线程名:"+thread.getName() + "释放了锁");
               lock.unlock(); // 释放锁对象
           }
       }
   }


结果:我们继续使用刚才的两个线程进行测试可以发现,在线程t1获取到锁之后,线程t2立马进来,然后发现锁已经被占用,那么这个时候它也不在继续等待。


images/jTFP3xr4XfNpsGX4kx5PnT3ZwTHDfRSe.jpg


似乎这种方法,感觉不是很完美,如果我第一个线程,拿到锁的时间,比第二个线程进来的时间还要长,是不是也拿不到锁对象?


那我能不能,用一中方式来控制一下,让后面等待的线程,可以等待5秒,如果5秒之后,还获取不到锁,那么就停止等,其实tryLock()是可以进行设置等待的相应时间的。

private void method(Thread thread) throws InterruptedException {
       // lock.lock(); // 获取锁对象

       // 如果2秒内获取不到锁对象,那就不再等待
       if (lock.tryLock(2,TimeUnit.SECONDS)) {
           try {
               System.out.println("线程名:"+thread.getName() + "获得了锁");

               // 这里睡眠3秒
               Thread.sleep(3000);
           }catch(Exception e){
               e.printStackTrace();
           } finally {
               System.out.println("线程名:"+thread.getName() + "释放了锁");
               lock.unlock(); // 释放锁对象
           }
       }
   }


结果:看上面的代码,我们可以发现,虽然我们获取锁对象的时候,可以等待2秒,但是我们线程t1在获取锁对象之后,执行任务缺花费了3秒,那么这个时候线程t2是不在等待的。


images/fsb83cG35BfiT4NFhi3j2pnK8WEFSx4M.jpg


我们再来改一下这个等待时间,改为5秒,再来看下结果:

private void method(Thread thread) throws InterruptedException {
       // lock.lock(); // 获取锁对象

       // 如果5秒内获取不到锁对象,那就不再等待
       if (lock.tryLock(5,TimeUnit.SECONDS)) {
           try {
               System.out.println("线程名:"+thread.getName() + "获得了锁");
           }catch(Exception e){
               e.printStackTrace();
           } finally {
               System.out.println("线程名:"+thread.getName() + "释放了锁");
               lock.unlock(); // 释放锁对象
           }
       }
   }


结果:这个时候我们可以看到,线程t2等到5秒获取到了锁对象,执行了任务代码。


images/t7zYAMReFTWn7ewZsNSkifMQxGepJi8t.jpg


以上就是使用Lock,来保证我们线程安全的方式。


文章来源公众号:一个程序员的成长

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