面试突击37:线程安全问题的解决方案有哪些?

线程安全是指某个方法或某段代码,在多线程中能够正确的执行,不会出现数据不一致或数据污染的情况,我们把这样的程序称之为线程安全的,反之则为非线程安全的。在 Java 中,解决线程安全问题有以下 3 种手段:

  1. 使用线程安全类,比如 AtomicInteger。
  2. 加锁排队执行
    1. 使用 synchronized 加锁。
    2. 使用 ReentrantLock 加锁。
  3. 使用线程本地变量 ThreadLocal。

接下来我们逐个来看它们的实现。

线程安全问题演示

我们创建一个变量 number 等于 0,之后创建线程 1,执行 100 万次 ++ 操作,同时再创建线程 2 执行 100 万次 — 操作,等线程 1 和线程 2 都执行完之后,打印 number 变量的值,如果打印的结果为 0,则说明是线程安全的,否则则为非线程安全的,示例代码如下:

public class ThreadSafeTest {
    // 全局变量
    private static int number = 0;
    // 循环次数(100W)
    private static final int COUNT = 1_000_000;

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

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

        // 等待线程 1 和线程 2,执行完,打印 number 最终的结果
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println("number 最终结果:" + number);
    }
}

以上程序的执行结果如下图所示:
image.png
从上述执行结果可以看出,number 变量最终的结果并不是 0,和预期的正确结果不相符,这就是多线程中的线程安全问题。

解决线程安全问题

1.原子类AtomicInteger

AtomicInteger 是线程安全的类,使用它可以将 ++ 操作和 — 操作,变成一个原子性操作,这样就能解决非线程安全的问题了,如下代码所示:

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class AtomicIntegerExample {
    // 创建 AtomicInteger
    private static AtomicInteger number = new AtomicInteger(0);
    // 循环次数
    private static final int COUNT = 1_000_000;

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

        // 线程2:执行 100W 次 -- 操作
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
                // -- 操作
                number.decrementAndGet();
            }
        });
        t2.start();

        // 等待线程 1 和线程 2,执行完,打印 number 最终的结果
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println("最终结果:" + number.get());
    }
}

以上程序的执行结果如下图所示:
image.png

2.加锁排队执行

Java 中有两种锁:synchronized 同步锁和 ReentrantLock 可重入锁。

2.1 同步锁synchronized

synchronized 是 JVM 层面实现的自动加锁和自动释放锁的同步锁,它的实现代码如下:

public class SynchronizedExample {
    // 全局变量
    private static int number = 0;
    // 循环次数(100W)
    private static final int COUNT = 1_000_000;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 线程1:执行 100W 次 ++ 操作
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
                // 加锁排队执行
                synchronized (SynchronizedExample.class) {
                    number++;
                }
            }
        });
        t1.start();

        // 线程2:执行 100W 次 -- 操作
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
                // 加锁排队执行
                synchronized (SynchronizedExample.class) {
                    number--;
                }
            }
        });
        t2.start();

        // 等待线程 1 和线程 2,执行完,打印 number 最终的结果
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println("number 最终结果:" + number);
    }
}

以上程序的执行结果如下图所示:
image.png

2.2 可重入锁ReentrantLock

ReentrantLock 可重入锁需要程序员自己加锁和释放锁,它的实现代码如下:

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * 使用 ReentrantLock 解决非线程安全问题
 */
public class ReentrantLockExample {
    // 全局变量
    private static int number = 0;
    // 循环次数(100W)
    private static final int COUNT = 1_000_000;
    // 创建 ReentrantLock
    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 线程1:执行 100W 次 ++ 操作
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
                lock.lock();    // 手动加锁
                number++;       // ++ 操作
                lock.unlock();  // 手动释放锁
            }
        });
        t1.start();

        // 线程2:执行 100W 次 -- 操作
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
                lock.lock();    // 手动加锁
                number--;       // -- 操作
                lock.unlock();  // 手动释放锁
            }
        });
        t2.start();

        // 等待线程 1 和线程 2,执行完,打印 number 最终的结果
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println("number 最终结果:" + number);
    }
}

以上程序的执行结果如下图所示:
image.png

3.线程本地变量ThreadLocal

使用 ThreadLocal 线程本地变量也可以解决线程安全问题,它是给每个线程独自创建了一份属于自己的私有变量,不同的线程操作的是不同的变量,所以也不会存在非线程安全的问题,它的实现代码如下:

public class ThreadSafeExample {
    // 创建 ThreadLocal(设置每个线程中的初始值为 0)
    private static ThreadLocal<Integer> threadLocal = ThreadLocal.withInitial(() -> 0);
    // 全局变量
    private static int number = 0;
    // 循环次数(100W)
    private static final int COUNT = 1_000_000;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 线程1:执行 100W 次 ++ 操作
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            try {
                for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
                    // ++ 操作
                    threadLocal.set(threadLocal.get() + 1);
                }
                // 将 ThreadLocal 中的值进行累加
                number += threadLocal.get();
            } finally {
                threadLocal.remove(); // 清除资源,防止内存溢出
            }
        });
        t1.start();

        // 线程2:执行 100W 次 -- 操作
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
                    // -- 操作
                    threadLocal.set(threadLocal.get() - 1);
                }
                // 将 ThreadLocal 中的值进行累加
                number += threadLocal.get();
            } finally {
                threadLocal.remove(); // 清除资源,防止内存溢出
            }
        });
        t2.start();

        // 等待线程 1 和线程 2,执行完,打印 number 最终的结果
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println("最终结果:" + number);
    }
}

以上程序的执行结果如下图所示:
image.png

总结

在 Java 中,解决线程安全问题的手段有 3 种:1.使用线程安全的类,如 AtomicInteger 类;2.使用锁 synchronized 或 ReentrantLock 加锁排队执行;3.使用线程本地变量 ThreadLocal 来处理。

是非审之于己,毁誉听之于人,得失安之于数。

公众号:Java面试真题解析

面试合集:https://gitee.com/mydb/interview

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