Java并发(十七)----变量的线程安全分析

1、成员变量和静态变量是否线程安全

• 如果它们没有共享，则线程安全

• 如果它们被共享了，根据它们的状态是否能够改变，又分两种情况

  • 如果只有读操作，则线程安全

  • 如果有读写操作，则这段代码是临界区，需要考虑线程安全

2、局部变量是否线程安全

• 局部变量是线程安全的

• 但局部变量引用的对象则未必

  • 如果该对象没有逃离方法的作用访问，它是线程安全的

  • 如果该对象逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全

3、局部变量线程安全分析

public static void test1() {
    int i = 10;
    i++;
}

每个线程调用 test1() 方法时局部变量 i，会在每个线程的栈帧内存中被创建多份，因此不存在共享

public static void test1();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=0
         0: bipush        10
         2: istore_0
         3: iinc          0, 1
         6: return
      LineNumberTable:
        line 10: 0
        line 11: 3
        line 12: 6
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            3       4     0     i   I

如图

局部变量的引用稍有不同，先看一个成员变量的例子

class ThreadUnsafe {
    ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
    public void method1(int loopNumber) {
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            // { 临界区, 会产生竞态条件
            method2();
            method3();
            // } 临界区
        }
    }
​
    private void method2() {
        list.add("1");  // 访问的同一个成员变量list
    }
​
    private void method3() {
        list.remove(0);// 访问的同一个成员变量list
    }
}

执行

static final int THREAD_NUMBER = 2;
static final int LOOP_NUMBER = 200;
public static void main(String[] args) {
    ThreadUnsafe test = new ThreadUnsafe();
    for (int i = 0; i < THREAD_NUMBER; i++) {
        new Thread(() -> {
            test.method1(LOOP_NUMBER);
        }, "Thread" + i).start();
    }
}

多运行几次就会发现，其中一种情况是，如果线程2 还未 add，线程1 remove 就会报错：

Exception in thread "Thread1" java.lang.IndexOutOfBoundsException: Index: 0, Size: 0
    at java.util.ArrayList.rangeCheck(ArrayList.java:657)
    at java.util.ArrayList.remove(ArrayList.java:496)
    at cn.itcast.n6.ThreadUnsafe.method3(TestThreadSafe.java:35)
    at cn.itcast.n6.ThreadUnsafe.method1(TestThreadSafe.java:26)
    at cn.itcast.n6.TestThreadSafe.lambda$main$0(TestThreadSafe.java:14)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

分析：

• 无论哪个线程中的 method2 引用的都是同一个对象中的 list 成员变量

• method3 与 method2 分析相同

将 list 修改为局部变量

class ThreadSafe {
    public final void method1(int loopNumber) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            method2(list);
            method3(list);
        }
    }
​
    private void method2(ArrayList<String> list) {
        list.add("1");
    }
​
    private void method3(ArrayList<String> list) {
        list.remove(0);
    }
}

那么就不会有上述问题了

分析：

• list 是局部变量，每个线程调用时会创建其不同实例，没有共享

• 而 method2 的参数是从 method1 中传递过来的，与 method1 中引用同一个对象

• method3 的参数分析与 method2 相同

方法访问修饰符带来的思考？

如果把 method2 和 method3 的方法修改为 public 会不会带来线程安全问题？

• 情况1：有其它线程调用 method2 和 method3

• 情况2：在 情况1 的基础上，为 ThreadSafe 类添加子类，子类覆盖 method2 或 method3 方法，即

class ThreadSafe {
    public final void method1(int loopNumber) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            method2(list);
            method3(list);
        }
    }
​
    private void method2(ArrayList<String> list) {
        list.add("1");
    }
​
    private void method3(ArrayList<String> list) {
        list.remove(0);
    }
}
​
class ThreadSafeSubClass extends ThreadSafe{
    @Override
    public void method3(ArrayList<String> list) {
        new Thread(() -> {
            list.remove(0);
        }).start();
    }
}

这样的话就会存在线程安全的问题。因为method3新开了一个线程，造成多个线程访问同一个共享资源，就会存在线程安全的问题。

从这个例子就可以看出 private 或 final 提供【安全】的意义所在。