面試突擊：線程安全問(wèn)題的解決方案有哪些？
線程安全是指某個(gè)方法或某段代碼，在多線程中能夠正確的執(zhí)行，不會(huì)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(chēng)之為線程安全的，反之則為非線程安全的。在 Java 中，解決線程安全問(wèn)題有以下 3 種手段：
- 使用線程安全類(lèi)，比如 AtomicInteger。
- 加鎖排隊(duì)執(zhí)行
使用 synchronized 加鎖。
使用 ReentrantLock 加鎖。
- 使用線程本地變量 ThreadLocal。
接下來(lái)我們逐個(gè)來(lái)看它們的實(shí)現(xiàn)。
線程安全問(wèn)題
演示我們創(chuàng)建一個(gè)變量 number 等于 0，之后創(chuàng)建線程 1，執(zhí)行 100 萬(wàn)次 ++ 操作，同時(shí)再創(chuàng)建線程 2 執(zhí)行 100 萬(wàn)次 -- 操作，等線程 1 和線程 2 都執(zhí)行完之后，打印 number 變量的值，如果打印的結(jié)果為 0，則說(shuō)明是線程安全的，否則則為非線程安全的，示例代碼如下：
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 ++ 操作
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
number++;
}
});
t1.start();
// 線程2：執(zhí)行 100W 次 -- 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，和預(yù)期的正確結(jié)果不相符，這就是多線程中的線程安全問(wèn)題。
解決線程安全問(wèn)題
1.原子類(lèi)AtomicIntege
AtomicInteger 是線程安全的類(lèi)，使用它可以將 ++ 操作和 -- 操作，變成一個(gè)原子性操作，這樣就能解決非線程安全的問(wèn)題了，如下代碼所示：
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class AtomicIntegerExample {
// 創(chuàng)建 AtomicInteger
private static AtomicInteger number = new AtomicInteger(0);
// 循環(huán)次數(shù)
private static final int COUNT = 1_000_000;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 線程1：執(zhí)行 100W 次 ++ 操作
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
// ++ 操作
number.incrementAndGet();
}
});
t1.start();
// 線程2：執(zhí)行 100W 次 -- 操作
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
// -- 操作
number.decrementAndGet();
}
});
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("最終結(jié)果：" + number.get());
}
}
以上程序的執(zhí)行結(jié)果如下圖所示：
2.加鎖排隊(duì)執(zhí)行
Java 中有兩種鎖：synchronized 同步鎖和 ReentrantLock 可重入鎖。
2.1 同步鎖synchronized
synchronized 是 JVM 層面實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)加鎖和自動(dòng)釋放鎖的同步鎖，它的實(shí)現(xiàn)代碼如下：
public class SynchronizedExample {
// 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 ++ 操作
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
// 加鎖排隊(duì)執(zhí)行
synchronized (SynchronizedExample.class) {
number++;
}
}
});
t1.start();
// 線程2：執(zhí)行 100W 次 -- 操作
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
// 加鎖排隊(duì)執(zhí)行
synchronized (SynchronizedExample.class) {
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：
2.2 可重入鎖ReentrantLock
ReentrantLock 可重入鎖需要程序員自己加鎖和釋放鎖，它的實(shí)現(xiàn)代碼如下：
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
* 使用 ReentrantLock 解決非線程安全問(wèn)題
*/
public class ReentrantLockExample {
// 全局變量
private static int number = 0;
// 循環(huán)次數(shù)(100W)
private static final int COUNT = 1_000_000;
// 創(chuàng)建 ReentrantLock
private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 線程1：執(zhí)行 100W 次 ++ 操作
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
lock.lock(); // 手動(dòng)加鎖
number++; // ++ 操作
lock.unlock(); // 手動(dòng)釋放鎖
}
});
t1.start();
// 線程2：執(zhí)行 100W 次 -- 操作
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
lock.lock(); // 手動(dòng)加鎖
number--; // -- 操作
lock.unlock(); // 手動(dòng)釋放鎖
}
});
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：
3.線程本地變量ThreadLocal
使用 ThreadLocal 線程本地變量也可以解決線程安全問(wèn)題，它是給每個(gè)線程獨(dú)自創(chuàng)建了一份屬于自己的私有變量，不同的線程操作的是不同的變量，所以也不會(huì)存在非線程安全的問(wèn)題，它的實(shí)現(xiàn)代碼如下：
public class ThreadSafeExample {
// 創(chuàng)建 ThreadLocal（設(shè)置每個(gè)線程中的初始值為 0）
private static ThreadLocal<Integer> threadLocal = ThreadLocal.withInitial(() -> 0);
// 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 ++ 操作
Thread t1 = new Thread(() -> {
try {
for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
// ++ 操作
threadLocal.set(threadLocal.get() + 1);
}
// 將 ThreadLocal 中的值進(jìn)行累加
number += threadLocal.get();
} finally {
threadLocal.remove(); // 清除資源，防止內(nèi)存溢出
}
});
t1.start();
// 線程2：執(zhí)行 100W 次 -- 操作
Thread t2 = new Thread(() -> {
try {
for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
// -- 操作
threadLocal.set(threadLocal.get() - 1);
}
// 將 ThreadLocal 中的值進(jìn)行累加
number += threadLocal.get();
} finally {
threadLocal.remove(); // 清除資源，防止內(nèi)存溢出
}
});
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("最終結(jié)果：" + number);
}
}
以上程序的執(zhí)行結(jié)果如下圖所示：
總結(jié)
在 Java 中，解決線程安全問(wèn)題的手段有 3 種：
1.使用線程安全的類(lèi)，如 AtomicInteger 類(lèi);
2.使用鎖 synchronized 或 ReentrantLock 加鎖排隊(duì)執(zhí)行;
3.使用線程本地變量 ThreadLocal 來(lái)處理。
