什么时候线程不安全？怎样做到线程安全？一文安利的明明白白

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编程技术圈(ID:study_tech)第 1268 次推文

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   正文   

当多个线程去访问某个类时，如果类会表现出我们预期出现的行为，那么可以称这个类是线程安全的。
什么时候会出现线程不安全？操作并非原子。多个线程执行某段代码，如果这段代码产生的结果受不同线程之间的执行时序影响，而产生非预期的结果，即发生了竞态条件，就会出现线程不安全;
常见场景：
count++。它本身包含三个操作，读取、修改、写入，多线程时，由于线程执行的时序不同，有可能导致两个线程执行后 count 只加了 1，而原有的目标确实希望每次执行都加 1；
单例。多个线程可能同时执行到instance == null成立，然后新建了两个对象，而原有目标是希望这个对象永远只有一个；
public MyObj getInstance(){   if (instance == null){        instance = new MyObj();   }    return instance }解决方式是：当前线程在操作这段代码时，其它线程不能对进行操作常见方案：单个状态使用 java.util.concurrent.atomic 包中的一些原子变量类，注意如果是多个状态就算每个操作是原子的，复合使用的时候并不是原子的；
加锁。比如使用 synchronized 包围对应代码块，保证多线程之间是互斥的，注意应尽可能的只包含在需要作为原子处理的代码块上；
synchronized 的可重入性当线程要去获取它自己已经持有的锁是会成功的，这样的锁是可重入的，synchronized 是可重入的
class Paxi {public synchronized  void sayHello(){System.out.println("hello");}
}class  MyClass extends Paxi{public synchronized void  dosomething(){System.out.println("do thing ..");super.sayHello();System.out.println("over");}
}
它的输出为
do thing ..
hello
over
复制代码修改不可见。读线程无法感知到其它线程写入的值
常见场景：
重排序。在没有同步的情况下，编译器、处理器以及运行时等都有可能对操作的执行顺序进行调整，即写的代码顺序和真正的执行顺序不一样, 导致读到的是一个失效的值
读取 long、double 等类型的变量。JVM 允许将一个 64 位的操作分解成两个 32 位的操作，读写在不同的线程中时，可能读到错误的高低位组合
常见方案：
加锁。所有线程都能看到共享变量的最新值；
使用 Volatile 关键字声明变量。只要对这个变量产生了写操作，那么所有的读操作都会看到这个修改;
注意：Volatile 并不能保证操作的原子性，比如count++操作同样有风险，它仅保证读取时返回最新的值。使用的好处在于访问 Volatile 变量并不会执行加锁操作，也就不会阻塞线程。
不同步的情况下如何做到线程安全？线程封闭。即仅在单线程内访问数据，线程封闭技术有以下几种：
Ad-hoc 线程封闭。即靠自己写程序来实现，比如保证程序只在单线程上对 volatile 进行 读取-修改-写入
栈封闭。所有的操作都反生执行线程的栈中，比如在方法中的一个局部变量
ThreadLocal 类。内部维护了每个线程和变量的一个独立副本
只读共享。即使用不可变的对象。
使用 final 去修饰字段，这样这个字段的 “值” 是不可改变的
推荐：面试经典：HashMap 容量为什么总是为 2 的次幂？注意 final 如果修饰的是一个对象引用，比如 set, 它本身包含的值是可变的
创建一个不可变的类，来包含多个可变的数据。class OneValue{    //创建不可变对象，创建之后无法修改，事实上这里也没有提供修改的方法     private final BigInteger  last;     private final BigInteger[] lastfactor;     public OneValue(BigInteger  i,BigInteger[] lastfactor){        this.last=i;        this.lastfactor=Arrays.copy(lastfactor,lastfactor.length);     }    public BigInteger[] getF(BigInteger  i){         if(last==null || !last.equals(i)){             return null;         }else{             return Arrays.copy(lastfactor,lastfactor.length)         }    } } class MyService {    //volatile使得cache一经更改，就能被所有线程感知到    private volatile OneValue cache=new OneValue(null,null);    public void handle(BigInteger i){        BigInteger[] lastfactor=cache.getF(i);        if(lastfactor==null){           lastfactor=factor(i);           //每次都封装最新的值           cache=new OneValue(i,lastfactor)        }        nextHandle(lastfactor)    } }如何构造线程安全的类？
实例封闭。将一个对象封装到另一个对象中，这样能够访问被封装对象的所有代码路径都是已知的，通过合适的加锁策略可以确保被封装对象的访问是线程安全的。
推荐：面试官为什么喜欢问 HashMap 和 ConcurrentHashMap ？java 中的 Collections.synchronizedList 使用的原理就是这样。部分代码为
public static  List synchronizedList(List list) {return (list instanceof RandomAccess ?new SynchronizedRandomAccessList<>(list) :new SynchronizedList<>(list));}
复制代码SynchronizedList 的实现, 注意此处用到的 mutex 是内置锁
搜索公众号后端架构师后台回复“面试”，获取一份惊喜礼包。static class SynchronizedListextends SynchronizedCollectionimplements List {private static final long serialVersionUID = -7754090372962971524L;final List list;public E get(int index) {synchronized (mutex) {return list.get(index);}}public E set(int index, E element) {synchronized (mutex) {return list.set(index, element);}}public void add(int index, E element) {synchronized (mutex) {list.add(index, element);}}public E remove(int index) {synchronized (mutex) {return list.remove(index);}}}
复制代码mutex 的实现
static class SynchronizedCollection implements Collection, >Serializable {    private static final long serialVersionUID = 3053995032091335093L;    final Collection c;  // Backing Collection    final Object mutex;     // Object on which to synchronize    SynchronizedCollection(Collection c) {        if (c==null)        throw new NullPointerException();        this.c = c;        mutex = this; // mutex实际上就是对象本身        }什么是监视器模式
java 的监视器模式，将对象所有可变状态都封装起来，并由对象自己的内置锁来保护, 即是一种实例封闭。比如 HashTable 就是运用的监视器模式。它的 get 操作就是用的 synchronized，内置锁，来实现的线程安全
public synchronized V get(Object key) {    Entry tab[] = table;    int hash = hash(key);    int index = (hash & 0x7FFFFFFF) % tab.length;    for (Entry e = tab[index] ; e != null ; e = e.next) {        if ((e.hash == hash) && e.key.equals(key)) {            return e.value;        }    }    return null;}内置锁
每个对象都有内置锁。内置锁也称为监视器锁。或者可以简称为监视器
线程执行一个对象的用 synchronized 修饰的方法时，会自动的获取这个对象的内置锁，方法返回时自动释放内置锁，执行过程中就算抛出异常也会自动释放。
以下两种写法等效:
synchronized void myMethdo(){   //do something}void myMethdo(){   synchronized(this){   //do somthding   }   }官方文档
私有锁
public class PrivateLock{private Object mylock = new Object(); //私有锁void myMethod(){synchronized(mylock){//do something}}
}
它也可以用来保护对象，相对内置锁，优势在于私有锁可以有多个，同时可以让客户端代码显示的获取私有锁
类锁
在 staic 方法上修饰的，一个类的所有对象共用一把锁
把线程安全性委托给线程安全的类
如果一个类中的各个组件都是线程安全的，该类是否要处理线程安全问题？视情况而定。
只有单个组件，且它是线程安全的。
public class DVT{   private final ConcurrentMap locations;   private final Map unmodifiableMap;          public DVT(Map points){       locations=new ConcurrentHashMap(points);       unmodifiableMap=Collections.unmodifiableMap(locations);       }          public Map getLocations(){       return unmodifiableMap;       }          public Point getLocation(String id){       return locations.get(id);       }          public void setLocation(String id,int x,int y){       if(locations.replace(id,new Point(x,y))==null){           throw new IllegalArgumentException("invalid "+id);           }       }          }      public class Point{       public final int x,y;       public Point(int x,int y){           this.x=x;           this.y=y;       }   }线程安全性分析Point 类本身是无法更改的，所以它是线程安全的，DVT 返回的 Point 方法也是线程安全的
DVT 的方法 getLocations 返回的对象是不可修改的，是线程安全的
setLocation 实际操作的是 ConcurrentHashMap 它也是线程安全的
综上，DVT 的安全交给了‘locations’，它本身是线程安全的，DVT 本身虽没有任何显示的同步，也是线程安全。这种情况下，就是 DVT 的线程安全实际是委托给了‘locations’, 整个 DVT 表现出了线程安全。
线程安全性委托给了多个状态变量
只要多个状态变量之间彼此独立，组合的类并不会在其包含的多个状态变量上增加不变性。依赖的增加则无法保证线程安全
public class NumberRange{private final AtomicInteger lower = new AtomicInteger(0);private final AtomicInteger upper = new AtomicInteger(0);      public void setLower(int i){   //先检查后执行，存在隐患   if (i>upper.get(i)){       throw new IllegalArgumentException('can not ..');       }       lower.set(i);                  }              public void setUpper(int i){   //先检查后执行，存在隐患       if(i{       public List list=Collections.synchronizedList(new ArrayList());       ...       public synchronized boolean putIfAbsent(E x){           boolean absent = !list.contains(x);           if(absent){              list.add(x);           }           return absent;       }   }这里的 putIfAbsent 并不能带来线程安全，原因是 list 的内置锁并不是 ListHelper, 也就是 putIfAbsent 相对 list 的其它方法并不是原子的。Collections.synchronizedList 是锁在 list 本身的，正确方式为
public  boolean putIfAbsent(E x){   synchronized(list){       boolean absent = !list.contains(x);       if(absent){           list.add(x);       }       return absent;   }}另外可以不管要操作的类是否是线程安全，对类统一添加一层额外的锁。实现参考 Collections.synchronizedList 方法PS：欢迎在留言区留下你的观点，一起讨论提高。如果今天的文章让你有新的启发，欢迎转发分享给更多人。版权申明：内容来源网络，版权归原创者所有。除非无法确认，我们都会标明作者及出处，如有侵权烦请告知，我们会立即删除并表示歉意。谢谢!欢迎加入后端架构师交流群，在后台回复“学习”即可。最近面试BAT，整理一份面试资料《Java面试BAT通关手册》，覆盖了Java核心技术、JVM、Java并发、SSM、微服务、数据库、数据结构等等。在这里，我为大家准备了一份2021年最新最全BAT等大厂Java面试经验总结。
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