線程安全是指某個方法或某段代碼，在多線程中能夠正確的執(zhí)行，不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致或數(shù)據(jù)污染的情況，我們把這樣的程序稱之為線程安全的，反之則為非線程安全的。

舉個例子來說，比如銀行只有張三一個人來辦理業(yè)務(wù)，這種情況在程序中就叫做單線程執(zhí)行，而單線程執(zhí)行是沒有問題的，也就是線程安全的。但突然有一天來了很多人同時辦理業(yè)務(wù)，這種情況就叫做多線程執(zhí)行。如果所有人都一起爭搶著辦理業(yè)務(wù)，很有可能會導(dǎo)致錯誤，而這種錯誤就叫非線程安全。如果每個人都能有序排隊(duì)辦理業(yè)務(wù)，且工作人員不會操作失誤，我們就把這種情況稱之為線程安全的。

問題演示

接下來我們演示一下，程序中非線程安全的示例。我們先創(chuàng)建一個變量 number 等于 0，然后開啟線程 1 執(zhí)行 100 萬次 number++ 操作，同時再開啟線程 2 執(zhí)行 100 萬次 number-- 操作，等待線程 1 和線程 2 都執(zhí)行完，正確的結(jié)果 number 應(yīng)該還是 0，但不加干預(yù)的多線程執(zhí)行結(jié)果卻與預(yù)期的正確結(jié)果不一致，如下代碼所示：

public class ThreadSafeTest {
    // 全局變量
    private static int number = 0;
    // 循環(huán)次數(shù)(100W)
    private static final int COUNT = 1_000_000;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 線程1：執(zhí)行 100W 次 number+1 操作
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
                number++;
            }
        });
        t1.start();

        // 線程2：執(zhí)行 100W 次 number-1 操作
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
                number--;
            }
        });
        t2.start();

        // 等待線程 1 和線程 2，執(zhí)行完，打印 number 最終的結(jié)果
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println("number 最終結(jié)果：" + number);
    }
}

以上程序的執(zhí)行結(jié)果如下圖所示：

從上述執(zhí)行結(jié)果可以看出，number 變量最終的結(jié)果并不是 0，和我們預(yù)期的正確結(jié)果是不相符的，這就是多線程中的線程安全問題。

產(chǎn)生原因

導(dǎo)致線程安全問題的因素有以下 5 個：

• 多線程搶占式執(zhí)行。
• 多線程同時修改同一個變量。
• 非原子性操作。
• 內(nèi)存可見性。
• 指令重排序。

接下來我們分別來看這 5 個因素的具體含義。

1.多線程搶占式執(zhí)行

導(dǎo)致線程安全問題的第一大因素就是多線程搶占式執(zhí)行，想象一下，如果是單線程執(zhí)行，或者是多線程有序執(zhí)行，那就不會出現(xiàn)混亂的情況了，不出現(xiàn)混亂的情況，自然就不會出現(xiàn)非線程安全的問題了。

2.多線程同時修改同一個變量

如果是多線程同時修改不同的變量(每個線程只修改自己的變量)，也是不會出現(xiàn)非線程安全的問題了，比如以下代碼，線程 1 修改 number1 變量，而線程 2 修改 number2 變量，最終兩個線程執(zhí)行完之后的結(jié)果如下：

public class ThreadSafe {
    // 全局變量
    private static int number = 0;
    // 循環(huán)次數(shù)(100W)
    private static final int COUNT = 1_000_000;
    // 線程 1 操作的變量 number1
    private static int number1 = 0;
    // 線程 2 操作的變量 number2
    private static int number2 = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 線程1：執(zhí)行 100W 次 number+1 操作
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
                number1++;
            }
        });
        t1.start();

        // 線程2：執(zhí)行 100W 次 number-1 操作
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
                number2--;
            }
        });
        t2.start();

        // 等待線程 1 和線程 2，執(zhí)行完，打印 number 最終的結(jié)果
        t1.join();
        t2.join();
        number = number1 + number2;
        System.out.println("number=number1+number2 最終結(jié)果：" + number);
    }
}

以上程序的執(zhí)行結(jié)果如下圖所示：

從上述結(jié)果可以看出，多線程只要不是同時修改同一個變量，也不會出現(xiàn)線程安全問題。

3.非原子性操作

原子性操作是指操作不能再被分隔就叫原子性操作。比如人類吸氣或者是呼氣這個動作，它是一瞬間一次性完成的，你不可能先吸一半(氣)，停下來玩會手機(jī)，再吸一半(氣)，這種操作就是原子性操作。而非原子性操作是我現(xiàn)在要去睡覺，但睡覺之前要先上床，再拉被子，再躺下、再入睡等一系列的操作綜合在一起組成的，這就是非原子性操作。非原子性操作是有可以被分隔和打斷的，比如要上床之前，發(fā)現(xiàn)時間還在，先刷個劇、刷會手機(jī)、再玩會游戲，甚至是再吃點(diǎn)小燒烤等等，所以非原子性操作有很多不確定性，而這些不確定性就會造成線程安全問題問題。像 i++ 和 i-- 這種操作就是非原子的，它在 +1 或 -1 之前，先要查詢原變量的值，并不是一次性完成的，所以就會導(dǎo)致線程安全問題。比如以下操作流程：

以上就是一個經(jīng)典的錯誤，number 原本等于 1，線程 1 進(jìn)行 -1 操作，而線程 2 進(jìn)行加 1，最終的結(jié)果 number 應(yīng)該還等于 1 才對，但通過上面的執(zhí)行，number 最終被修改成了 0，這就是非原子性導(dǎo)致的問題。

4.內(nèi)存可見性問題

在 Java 編程中內(nèi)存分為兩種類型：工作內(nèi)存和主內(nèi)存，而工作內(nèi)存使用的是 CPU 寄存器實(shí)現(xiàn)的，而主內(nèi)存是指電腦中的內(nèi)存，我們知道 CPU 寄存器的操作速度是遠(yuǎn)大于內(nèi)存的操作速度的，它們的性能差異如下圖所示：

那這和線程安全有什么關(guān)系呢?這是因?yàn)樵?Java 語言中，為了提高程序的執(zhí)行速度，所以在操作變量時，會將變量從主內(nèi)存中復(fù)制一份到工作內(nèi)存，而主內(nèi)存是所有線程共用的，工作內(nèi)存是每個線程私有的，這就會導(dǎo)致一個線程已經(jīng)把主內(nèi)存中的公共變量修改了，而另一個線程不知道，依舊使用自己工作內(nèi)存中的變量，這樣就導(dǎo)致了問題的產(chǎn)生，也就導(dǎo)致了線程安全問題。

5.指令重排序

指令重排序是指 Java 程序?yàn)榱颂岣叱绦虻膱?zhí)行速度，所以會對一下操作進(jìn)行合并和優(yōu)化的操作。比如說，張三要去圖書館還書，舍友又讓張三幫忙借書，那么程序的執(zhí)行思維是，張三先去圖書館把自己的書還了，再去一趟圖書館幫舍友把書借回來。而指令重排序之后，把兩次執(zhí)行合并了，張三帶著自己的書去圖書館把書先還了，再幫舍友把書借出來，整個流程就執(zhí)行完了，這是正常情況下的指令重排序的好處。但是指令重排序也有“副作用”，而“副作用”是發(fā)生在多線程執(zhí)行中的，還是以張三借書和幫舍友還書為例，如果張三是一件事做完再做另一件事是沒有問題的(也就是單線程執(zhí)行是沒有問題的)，但如果是多線程執(zhí)行，就是兩件事由多個人混合著做，比如張三在圖書館遇到了自己的多個同學(xué)，于是就把任務(wù)分派給多個人一起執(zhí)行，有人借了幾本書、有人借了還了幾本書、有人再借了幾本書、有人再借了還了幾本書，執(zhí)行的很混亂沒有明確的目標(biāo)，到最后悲劇就發(fā)生了，這就是在指令重排序帶來的線程安全問題。

總結(jié)

線程安全是指某個方法或某段代碼，在多線程中能夠正確的執(zhí)行，不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致或數(shù)據(jù)污染的情況，反之則為線程安全問題。簡單來說所謂的非線程安全是指：在多線程中，程序的執(zhí)行結(jié)果和預(yù)期的正確結(jié)果不一致的問題。而造成線程安全問題的因素有 5 個：多線程搶占式執(zhí)行、多線程同時修改同一個變量、非原子性操作、內(nèi)存可見性和指令重排序。