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5个步骤,教你瞬间明白线程和线程安全

一个程序员的成长
 一个程序员的成长
发布于 09/07 16:26
字数 3501
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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。

 

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。

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。

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。

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:

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:

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:

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。

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。

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。

以上就是使用Lock,来保证我们线程安全的方式。

作者:一个非科班出身的Diao丝男,自学半年多,找到了一份还不错的工作,我希望做一个专注于Java领域与思维认知的公众号,希望可以带领更多的初学者和入门选手,通过自己努力,得到更多的技术上的提升和思维认知上的拓展。

声明:本文为公众号:一个程序员的成长,版权归对方所有。

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评论(27)

飞力95
讲的很明白
陈鑫伟sg
解决线程问题不一定要用锁~锁用多了就没有并发性可言了。可以使用对象池,或者原子操作。
J4fan
J4fan
哥们,好像说的有点问题。
“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。”
单cpu多线程是在同一时间段有多个线程同时执行,对于任意时刻,只有一个线程在执行。cpu通过时间片轮转来调度各个线程的执行时间。
jason-he
jason-he
其实线程安全的方法总结就是可重入,不涉及状态量的变化。
基础知识,但是写的很明晰。
_vince
_vince
谢谢..很有帮助
whaon
whaon
南望山阿飞
南望山阿飞
写的不错,赞:smile:
飞鸿眉敛
飞鸿眉敛
java的线程安全就是简单,居然只需要避免同时修改一个对象就好,其实线程安全的难点在于对象的有效性,怎么保证一个指针同时被两个线程访问的时候对象不会在某个线程被释放.这点被java自己解决了,其他的线程安全也就只是加锁和尽量减少锁的范围上的事了
javaxiaoz
javaxiaoz
不错
陌初
陌初

引用来自“猫咪喵喵”的评论

synchronized 那段是错误的,count 需要被 volatile 修饰才能保证安全
方法锁是没有问题的。
5个步骤,教你瞬间明白线程和线程安全

作者 | 一个程序员的成长 责编 | 胡巍巍 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...

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