1. 什么是線程安全？

《Java 并發(fā)編程實戰(zhàn)》的作者 Brian Goetz 對線程安全的理解是：當多個線程訪問一個對象時，如果不需要考慮這些線程在運行時環(huán)境中的調度和交替執(zhí)行，也不需要額外的同步，調用這個對象的行為都能獲得正確的結果，那么這個對象就是線程安全的。

通俗地說，無論有多少線程訪問業(yè)務中的一個對象或方法，在編寫這段業(yè)務邏輯時，無需做任何額外處理（即可以像單線程程序一樣編寫），程序也能正常運行（不會因多線程而失?。?，這樣的代碼就可以稱為線程安全的。

2. 什么是線程不安全？

當多個線程同時訪問一個對象時，如果某個線程正在更新對象的值，而另一個線程同時讀取該對象的值，就可能導致獲取到錯誤的值。這種情況下，我們需要采取額外措施（例如使用synchronized關鍵字同步這部分代碼的執(zhí)行）來確保結果的正確性。

3. 為什么不是所有程序都設計成線程安全的？

主要是出于程序性能、設計復雜度成本等方面的考量。

4. 線程安全問題的分類

4.1 運行結果錯誤

首先來看多線程同時操作一個變量如何導致運行結果錯誤。

假設用兩個線程對count變量進行計數(shù)，每個線程各計 10000 次：

public class ResultError {
    static int count;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Runnable runnable = () -> {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                count++;
            }
        };
        Thread thread1 = new Thread(runnable);

Thread thread2 = new Thread(runnable);
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread2.join();
        System.out.println(count);
    }
}

輸出：

圖片

理論上結果應為 20000，但實際輸出遠小于理論值，且每次結果不同。為什么會這樣？

這是因為多線程下，CPU 的調度是以時間片為單位分配的，每個線程獲得一定時間片后，若時間片耗盡會被掛起并讓出 CPU 資源給其他線程，這可能導致線程安全問題。例如，i++看似一行代碼，實際并非原子操作，其執(zhí)行步驟主要分為三步，且每一步操作之間可能被中斷：

1. 讀取當前值；
2. 遞增；
3. 保存結果。

圖片

假設線程 1 先讀取count=1，隨后執(zhí)行count + 1操作，但此時結果尚未保存，線程 1 被切換。CPU 開始執(zhí)行線程 2，其操作與線程 1 相同。但此時線程 2 讀取的count值是多少？由于線程 1 的+1操作未保存結果，線程 2 讀取的仍然是count=1。

假設線程 2 執(zhí)行count + 1后保存結果為 2，隨后線程 1 恢復執(zhí)行，保存其計算結果為 2。雖然兩個線程各執(zhí)行了一次+1，但最終count結果為 2 而非預期的 3。這就是典型的線程安全問題，此時count變量被稱為共享變量或共享數(shù)據(jù)。

如何解決？

解決此類問題需要一種機制：當多個線程操作共享變量時，確保同一時刻僅有一個線程能操作該變量，其他線程必須等待當前線程處理完成。這種方法使用互斥鎖（Mutex Lock）實現(xiàn)互斥訪問——當共享數(shù)據(jù)被當前線程加鎖時，其他線程只能等待鎖釋放。

Java 中，用synchronized關鍵字修飾的方法或代碼塊可以保證同一時刻僅有一個線程執(zhí)行。代碼如下：

public class ResultErrorResolution {
    staticint count;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Runnable runnable = () -> {
            synchronized (ResultErrorResolution.class) {
                for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                    count++;
                }
            }
        };
        Thread thread1 = new Thread(runnable);
        Thread thread2 = new Thread(runnable);
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread2.join();
        System.out.println(count);
    }
}

輸出：

20000

輸出結果與預期一致??。

關于synchronized關鍵字，后續(xù)章節(jié)會詳細講解。目前只需知道它能保證同一時刻最多一個線程執(zhí)行該代碼段（需持有對應的鎖，本例中為ResultErrorResolution.class），從而實現(xiàn)并發(fā)安全。

4.2 線程活躍性問題

第二類線程安全問題統(tǒng)稱為活躍性問題?；钴S性問題指程序無法獲得運行的最終結果。相比前文的錯誤，活躍性問題的后果可能更嚴重，例如死鎖會導致程序完全卡死。

典型的活躍性問題包括死鎖（Deadlock）、活鎖（Livelock）和饑餓（Starvation）。由于內容較多，后續(xù)會單獨寫篇文章介紹。

4.3 對象初始化時的安全問題

最后是對象初始化過程中引發(fā)的線程安全問題。創(chuàng)建對象以供其他類或對象使用是常見操作，但若時機或錯誤可能導致線程安全問題。

看一個例子：

public class InitError {
    private Map<Long, String> students;

    public InitError() {
        new Thread(() -> {
            students = new HashMap<>();
            students.put(1L, "Tom");
            students.put(2L, "Bob");
            students.put(3L, "Victor");
        }).start();
    }

    public Map<Long, String> getStudents() {
        return students;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        InitError initError = new InitError();
        System.out.println(initError.getStudents().get(1L));
    }
}

此例中，成員變量students在構造函數(shù)的子線程中初始化。但主線程在初始化InitError后未等待子線程完成，直接嘗試獲取數(shù)據(jù)，導致問題：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    InitError initError = new InitError();
    System.out.println(initError.getStudents().get(1L));
}

運行結果：

Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
    at concurrency.chapter10.InitError.main(InitError.java:25)

原因：

students在構造函數(shù)的新線程中初始化，而主線程未等待該線程完成就直接調用getStudents()，此時students可能尚未初始化（返回null），導致空指針異常。

5. 哪些場景需特別注意線程安全問題？

5.1 訪問共享變量或資源

當訪問靜態(tài)變量、共享緩存等共享資源時，若多線程同時操作（如count++），需確保原子性。例如以下“檢查后執(zhí)行”操作可能被中斷：

if (count == 10) {
    count = count * 10;
}

多個線程可能同時滿足count == 10，導致多次執(zhí)行count = count * 10，需通過加鎖保證原子性。

5.2 數(shù)據(jù)間存在綁定關系

當不同數(shù)據(jù)成組出現(xiàn)且需保持對應關系時（如 IP 和端口號），若修改未綁定為一個原子操作，可能導致信息不一致。例如僅修改 IP 而未同步修改端口號，接收方可能獲取錯誤的綁定結果。

5.3 依賴的類未聲明線程安全

若使用的類未聲明自身是線程安全的（如ArrayList），在多線程并發(fā)操作時可能引發(fā)線程安全問題。責任不在該類本身，因其未做任何線程安全保證（源碼注釋中通常會說明）。