Java下如何保证多线程安全

前言

        可能有人会觉得，只要我写代码的时候不去开启其他线程，那么就不会有多线程的问题了。

        然而事实并非如此，如果仅仅是一些简单的测试代码，确实代码都会顺序执行而不是并发执行，但是Java应用最广泛的web项目中，绝大部分（如果不是所有的话）web容器都是多线程的——以tomcat为例， 每一个进来的请求都需要一个线程，直到该请求结束。 这样一来，即使本身不打算多线程运行的代码，实际上几乎都会以多线程的方式执行。

        在 Spring 注册的 bean（默认都是单例），在设为单例的 bean 中出现的成员变量或静态变量，都必须注意是否存在多线程竞争导致的多线程不安全的问题。

        ——可见，有些时候确实都是人在江湖，身不由己。积累多线程的知识是必不可少的。

1.为什么会有多线程不安全的问题

1.1.写不安全

        上面讲到 web 容器会多线程访问 JVM，这里还有一个问题，为什么多线程时就会存在多线程不安全呢？这是因为在 JVM 中的内存管理，并不是所有内存都是线程私有的，Heap（Java堆）中的内存是线程共享的。

        而 Heap 中主要是存放对象的，这样多个线程访问同一个对象时，就会使用到同一块内存了，在这块内存中存着的成员变量就会受到多个线程的操作。

如下图所示：

  

因为是增加2和3，结果应该是15才对，但是因为多线程的原因，导致结果是12或13。

1.2.读不安全

        上面的写操作不安全是一方面，事实上 Java 中还存在更加糟糕的问题，就是读到的数据也不一致。

        因为多个线程虽然访问对象时是使用的同一块内存（这块内存可称为主内存），但是为了提高效率，每个线程有时会都会将读取到的值缓存在本线程内（具体因不同 JVM 的实现逻辑而有不同，所以缓存不是必然的），这些缓存的数据可称为副本数据。

        这样，就会出现，某个值已经被某个线程更改了，但是其他线程却不知道，也不去主内存更新数据的情况。

如下图所示：

 

上图的情况，其实线程的并发度相对要低一点，但即使是其他线程更改的数据，有的线程也不知道，因为读不安全导致了数据不一致。

2.如何让多线程安全

        既然已经知道了会发生不安全的问题，那么要怎么解决这些问题呢？

2.1.读一致性

        Java 中针对上述“读不安全”的问题提供了关键字 volatile 来解决问题，被 volatile 修饰的成员变量，在内容发生更改的时候，会通知所有线程去主内存更新最新的值，这样就解决了读不安全的问题，实现了读一致性。

        但是，读一致性是无法解决写一致性的，虽然能够使得每个线程都能及时获取到最新的值，但是1.1中的写一致性问题还是会存在。

        既然如此，Java 为啥还要提供 volatile 关键字呢？这并非多余的存在，在某些场景下只需要读一致性的话，这个关键字就能够满足需求而且性能相对还不错，因为其他的能够保证“读写”都一直的办法，多多少少存在一些牺牲。

2.2.写一致性

        Java 提供了三种方式来保证读写一致性，分别是互斥锁、自旋锁、线程隔离。

2.2.1.互斥锁

        互斥锁只是一个锁概念，在其他场景也叫做独占锁、悲观锁等，其实就是一个意思。它是指线程之间是互斥的，某一个线程获取了某个资源的锁，那么其他线程就只能睡眠等待。

        在 Java 中互斥锁的实现一般叫做同步线程锁，关键字 synchronized，它锁住的范围是它修饰的作用域，锁住的对象是： 当前对象（对象锁） 或 类的全部对象（类锁） ——锁释放前，其他线程必将阻塞，保证锁住范围内的操作是原子性的，而且读取的数据不存在一致性问题。

• 对象锁：当它修饰方法、代码块时，将会锁住当前对象
• 类锁：修饰类、静态方法时，则是锁住类的所有对象

注意： 锁住的永远是对象，锁住的范围永远是 synchronized 关键字后面的花括号划定的代码域。

2.2.2.自旋锁

        自旋锁也只是一个锁概念，在其他场景也叫做乐观锁等。

        自旋锁本质上是不加锁，而是通过对比旧数据来决定是否更新：

 

        如上所示，不管线程1与线程2哪个先执行，哪个后执行，结果都会是15，由此实现了读写一致性。而因为步骤3的更新失败而在步骤4中更新数据后再此尝试更新的过程，就叫做自旋——自旋只是个概念：表示 操作失败后，线程会循环进行上一步的操作，直到成功为止。

        这种方式避免了线程的上下文切换以及线程互斥等，相对于互斥锁而言，它允许并发的存在（互斥锁不存在并发，只能同步进行）。

        在 Java 的 java.util.concurrent.atomic 包 中提供了自旋的操作类，诸如 AtomicInteger、AtomicLong 等，都能够达到此目的。

 

1. 上面代码中的18行的代码，直接对一个int变量++操作，这是多线程不安全的
2. 其中注释掉的19、20、21行代码则是加上了同步线程锁的写法，同步的操作使得多线程安全
3. 下面的25行代码则是基于自旋锁的操作，也是多线程安全的

        但是，如果并发度很高的话，就会导致某些线程一直都无法更新成功（因为一直有其他线程更改了值），会使得线程长时间占用CPU和线程。所以自旋锁是属于低并发的解决方案。

        另外，直接使用这些自旋的操作类还是太过原始，所以Java还在这个基础上封装了一些类，能够简单直接地接近于 synchronized 那么方便地对某段代码上锁，即是 ReentrantLock 以及 ReentrantReadWriteLock，限于篇幅，这里不详细介绍他们的使用。

2.2.3.线程隔离

        既然自旋锁只是低并发的解决方案，那么遇到高并发要如何处理呢？答案是将成员变量设成线程隔离的，也就是说每个线程都各自使用自己的变量，互相自己是不相关的。这样自然也做到了多线程安全。但是这种做法是让所有线程都互相隔离的了，所以他们之间是不存在互相操作的。

        在 Java 中提供了 ThreadLocal 类来实现这种效果：

// 声明线程隔离的变量，变量类型通过泛型决定
private static ThreadLocal<Integer> localInt = new ThreadLocal<>();

// 获取泛型类的对象
Integer integer = localInt.get();

if (integer==null){
    integer = 0;
}

// 将泛型对象设到变量中
localInt.set(++integer);

总结

        本文主要讲了为什么会出现多线程不安全的原因，其中涉及读不安全与写不安全。Java 使用 volatile 关键字实现了读一致性，使用同步线程锁（synchronized）、自旋操作类（AtomicInteger等 ）以及线程隔离类（ThreadLocal ）来实现了写一致性，这三种方法中，同步线程锁效率最低，自旋操作类在非高并发的场景可大大提高效率，但是要想实现真正的高并发，还是需要用到线程隔离类来实现。