当前位置：首页 > 科技 > 软件

到底什么是线程安全？如何保证线程安全？

来源：责编：时间：2024-05-20 17:49:26 80观看

导读随着硬件技术的快速发展（比如多核处理器，超线程技术），我们通常会在代码中使用多线程（比如线程池）来提高性能，但是，多线程又会带来线程安全问题。因此，本文将深入探讨Java中的线程安全问题。1.什么是线程安全？首先，我们来看看维基

随着硬件技术的快速发展（比如多核处理器，超线程技术），我们通常会在代码中使用多线程（比如线程池）来提高性能，但是，多线程又会带来线程安全问题。因此，本文将深入探讨Java中的线程安全问题。

1.什么是线程安全？

首先，我们来看看维基百科对线程安全是如何描述的，如下图：

总结一下：线程安全（Thread Safety）是指多个线程访问共享资源时，不会破坏资源的完整性。如下图：

请注意，导致线程安全问题一定要同时具备以下 3个条件，缺一不可：

多线程环境：如果是单线程，程序肯定会串行顺序执行，不可能出现线程安全问题。
操作共享资源：所谓共享资源是指多个线程或进程可以同时访问和使用的资源。如果每个线程都是操作自己的局部变量，尽管满足条件1，但也不会出现线程安全问题。
至少存在一个写操作：如果是多线程读取共享资源，尽管满足了前 2个条件，但是读操作天然是幂等的，因此也不会出现线程安全的问题，所以线程中至少存在一个写操作。

上面从表象上说明线程安全需要具备的 3个条件，在 Java中，线程安全性通常涉及以下 3个指标：

原子性（Atomicity）：操作要么全部完成，要么全部不完成。
可见性（Visibility）：一个线程对共享变量的修改对其他线程是立即可见的。
有序性（Ordering）：程序的执行顺序符合预期，不会因为编译器优化或CPU重排序而改变。

2. 产生线程安全的根因

在 Java中，造成线程安全问题的根因是硬件结构，为了消除 CPU和主内存之间的硬件速度差，通常会在两者之间设置多级缓存（L1 ～ L3），如下图：

Java为了适配这种多级缓存的硬件构造，设计了一套与之对应的内存模型（JMM，Java memory model，包括主内存和工作内存，如下图：

主内存：所有的变量都存储在主内存中。
工作内存：每个线程都有自己的工作内存，会将主内存的共享变量复制到自己的工作内存中，然后做后续业务操作，最终再将工作内存中的变量刷新到主内存。

线程对变量的所有操作（读取、写入）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。线程之间无法直接访问对方的工作内存，变量的传递需要通过主内存来完成。

关于 Java内存模型的原理，我们会在另外的文章中单独讲解，本文只是概要性的总结。

3. 原子性

在数据库事务ACID中也有原子性（Atomicity）的概念，它是指一个操作是不可分割的，即要么全部执行，要么全部不执行。Java线程安全中的原子性与数据库事务中的原子性本质是一样的，只是它们应用的上下文和具体实现有所不同。

Java提供了多种方式来保证原子性，比如同步块、锁或者原子类。

为了更好的说明原子性，我们这里以一个反例来展示不具备原子性，如下代码：

public class AtomicityTest {    private int i = 0;    public void increment() {        i++;    }}

在上述代码中，i++这种写法在我们的日常开发经常使用，但它不是一个原子操作，实际上i++分为三步：

读取i的值
将i的值加 1
将结果写回给i

如果多个线程同时执行increment()方法，可能会导致i的值不正确，比如有 3个线程A，B，C：

线程A读取i的值，并且将i的值加 1，但是还未将结果写回给i；
此时，线程B读取i的值仍然是0，并且将i的值加 1；
线程A 将结果写回给i，将i设置为 1;
线程B 将结果写回给i，将i设置为 1;
线程C 读取i的值为1，并且将i的值加 1，并且将结果写回给i，将i设置为 2;

3个线程都对i进行i++操作，预期i的最终值是 3，但因为i++无法保证原子性，因此，i最终的值未达到预期的值。

4. 可见性

可见性是指一个线程对共享变量的修改，其他线程能立刻看到。在Java中，volatile关键字可以保证变量的可见性。

为了更好的说明可见性，我们这里以一个示例进行分析，如下代码：

public class VisibilityTest {    private boolean running = true;    public void stop() {        running = false;    }    public void run() {        while (running) {            // do something        }    }}

在上述代码中，变量running是一个全局变量，如果没有使用volatile关键字，running 变量的修改可能不会被其他线程立即看到。

5. 有序性

有序性是指程序代码的执行顺序。在单线程环境中，代码的执行顺序通常是按照代码的书写顺序执行的。然而，在多线程环境中，编译器、JVM和CPU可能会为了优化性能进行指令重排序（Instruction Reordering），这可能会导致代码的执行顺序与预期不一致。

Java内存模型（Java Memory Model, JMM）允许编译器和处理器进行指令重排序，但会保证单线程内的执行结果和多线程内的同步结果是正确的。

这里以一个反例来展示不具备有序性，如下代码：

public class ReorderingExample {private int x = 0;private boolean flag = false;    public void writer() {        x = 42;        flag = true;    }    public void read() {        if (flag) {            System.out.println(x); // 可能输出0        }    }}

在上述代码中，read()方法可能会看到flag=true，但x仍然为 0，因为编译器或CPU可能对指令进行重排序。

6. 如何保证线程安全

在 Java中，通常可以通过以下几个方式来保证线程安全。

(1) synchronized关键字

synchronized是Java的一个原语关键字，它可以保证方法或代码块在同一时刻只能被一个线程执行，从而确保原子性和可见性。

下面的代码是synchronized关键字的简单使用：

public class SynchronizedTest {private int i = 0;    public synchronized void increment() {        i++;    }    public synchronized int getCount() {        return i;    }}

(2) Lock 接口

Lock接口提供了比synchronized更灵活的锁机制，常用的实现类有 ReentrantLock 可重入锁。

下面的代码是Lock关键字的简单使用：

import java.util.concurrent.locks.Lock;import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class LockCounter {private int count = 0;private final Lock lock = new ReentrantLock();    public void increment() {        lock.lock();        try {            count++;        } finally {            lock.unlock();        }    }    public int getCount() {        lock.lock();        try {            return count;        } finally {            lock.unlock();        }    }}

(3) 原子类

Java提供了一些原子类，如 AtomicInteger、AtomicLong 和 AtomicReference，它们通过CAS（Compare-And-Swap）操作实现了非阻塞的线程安全。

下面的代码是AtomicInteger原子类的简单使用：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;public class AtomicTest {private AtomicInteger atomic = new AtomicInteger();    public void increment() {        atomic.incrementAndGet();    }    public int getCount() {        return atomic.get();    }}

(4) ThreadLocal 类

ThreadLocal类提供了线程局部变量，每个线程都有自己独立的变量副本，从而避免了共享数据的竞争。

下面的代码是ThreadLocal类的简单使用：

public class ThreadLocalExample {private static final ThreadLocal<Integer> threadLocal = ThreadLocal.withInitial(() -> 1);    public int getValue() {        return threadLocal.get();    }    public void setValue(int value) {        threadLocal.set(value);    }}

(5) 分布式锁

Redis 分布式锁或者 Zookeeper分布式锁是分布式环境下保证线程安全的常用方法。关于两种分布式锁的原理，会在其他的文章详细分析。

7. 总结

线程安全是 Java多线程编程中很重要的一部分，本文讲解了什么是线程安全以及产生线程安全问题的根因，并且通过原子性，有序性，可见性对线程安全进行了分析。

硬件的多级缓存和Java与之对应的内存模型是导致线程安全的根因；
volatile可以保证变量的可见性，但不能保证原子性，因此无法保证线程安全；
synchronized，虚拟机锁，原子类，分布式锁可以保证线程的安全性；

本文链接：//www.dmpip.com//www.dmpip.com/showinfo-26-89393-0.html到底什么是线程安全？如何保证线程安全？

声明：本网页内容旨在传播知识，若有侵权等问题请及时与本网联系，我们将在第一时间删除处理。邮件：2376512515@qq.com

上一篇：京东 520 晚 8 点放大招！ 999 元抢戴森吹风机 + 戴森吸尘器

下一篇： ASP.NET Core 中的文件上传与下载功能实现

标签：

热门焦点

石头智能洗地机A10 Plus体验：双向自清洁治好了我的懒癌

一、前言和介绍专为家庭请假懒人而生的石头科技在近日又带来了自己的全新旗舰新品，石头智能洗地机A10 Plus。从这个产品名上就不难看出，这次石头推出的并不是常见的扫地机器
7月安卓手机好评榜：三星S23Ultra好评率第一

性能榜和性价比榜之后，我们来看最后的安卓手机好评榜，数据来源安兔兔评测，收集时间2023年7月1日至7月31日，仅限国内市场。第一名：三星Galaxy S23 Ultra好评率：95.71%在即将迎来新
5月安卓手机好评榜：魅族20 Pro夺冠

性能榜和性价比榜之后，我们来看最后的安卓手机好评榜，数据来源安兔兔评测，收集时间2023年5月1日至5月31日，仅限国内市场。第一名：魅族20 Pro好评率：97.50%不得不感慨魅族老品牌还
28个SpringBoot项目中常用注解，日常开发、求职面试不再懵圈

前言在使用SpringBoot开发中或者在求职面试中都会使用到很多注解或者问到注解相关的知识。本文主要对一些常用的注解进行了总结，同时也会举出具体例子，供大家学习和参考。注解
一条抖音4亿人围观 ! 这家MCN比无忧传媒还野

作者：Hiu 来源：互联网品牌官01 擦边少女空降热搜，幕后推手曝光被网友誉为“纯欲天花板”的女网红井川里予，近期因为一组哥特风照片登上热搜，引发了一场互联网世界关于
3699元！iQOO Neo8 Pro顶配版今日首销：1TB UFS 4.0同价位唯一

5月23日，iQOO推出了全新的iQOO Neo8系列，包含iQOO Neo8和iQOO Neo8 Pro两个版本，其中标准版搭载高通骁龙8+，而Pro版更是首发搭载了联发科天玑9200+旗舰
iQOO Neo8 Pro抢先上架：首发天玑9200+ 安卓性能之王

经过了一段时间的密集爆料，昨日iQOO官方如期对外宣布：将于5月23日推出全新的iQOO Neo8系列新品，官方称这是一款拥有旗舰级性能调校的作品。随着发布时
OPPO K11搭载长寿版100W超级闪充：26分钟充满100%

据此前官方宣布，OPPO将于7月25日也就是今天下午14:30举办新品发布会，届时全新的OPPO K11将正式与大家见面，将主打旗舰影像，和同档位竞品相比，其最大的卖
Meta盲目扩张致超万人被裁，重金押注元宇宙而前景未明

图片来源：图虫创意日前，Meta创始人兼CEO 马克·扎克伯发布公开信，宣布Meta计划裁员超11000人，占其员工总数13%。他公开承认了自己的预判失误：“不仅