【面試】若是你這樣回答「什麼是線程安全」，面試官都會對你另眼相看

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不是線程的安全

面試官問：「什麼是線程安全」，若是你不能很好的回答，那就請往下看吧。

論語中有句話叫「學而優則仕」，相信不少人都以爲是「學習好了能夠作官」。然而，這樣理解倒是錯的。切記望文生義。

同理，「線程安全」也不是指線程的安全，而是指內存的安全。爲何如此說呢？這和操做系統有關。

目前主流操做系統都是多任務的，即多個進程同時運行。爲了保證安全，每一個進程只能訪問分配給本身的內存空間，而不能訪問別的進程的，這是由操做系統保障的。

在每一個進程的內存空間中都會有一塊特殊的公共區域，一般稱爲堆（內存）。進程內的全部線程均可以訪問到該區域，這就是形成問題的潛在緣由。

假設某個線程把數據處理到一半，以爲很累，就去休息了一會，回來準備接着處理，卻發現數據已經被修改了，不是本身離開時的樣子了。可能被其它線程修改了。

好比把你住的小區看做一個進程，小區裏的道路/綠化等就屬於公共區域。你拿1萬塊錢往地上一扔，就回家睡覺去了。睡醒後你打算去把它撿回來，發現錢已經不見了。可能被別人拿走了。

由於公共區域人來人往，你放的東西在沒有看管措施時，必定是不安全的。內存中的狀況亦然如此。

因此線程安全指的是，在堆內存中的數據因爲能夠被任何線程訪問到，在沒有限制的狀況下存在被意外修改的風險。

即堆內存空間在沒有保護機制的狀況下，對多線程來講是不安全的地方，由於你放進去的數據，可能被別的線程「破壞」。

那咱們該怎麼辦呢？解決問題的過程其實就是一個取捨的過程，不一樣的解決方案有不一樣的側重點。


私有的東西就不應讓別人知道


現實中不少人都會把1萬塊錢藏着掖着，不讓無關的人知道，因此根本不可能扔到大馬路上。由於這錢是你的私有物品。

在程序中也是這樣的，因此操做系統會爲每一個線程分配屬於它本身的內存空間，一般稱爲棧內存，其它線程無權訪問。這也是由操做系統保障的。

若是一些數據只有某個線程會使用，其它線程不能操做也不須要操做，這些數據就能夠放入線程的棧內存中。較爲常見的就是局部變量。

double avgScore(double[] scores) { double sum = 0; for (double score : scores) { sum += score; } int count = scores.length; double avg = sum / count; return avg;}

這裏的變量sum，count，avg都是局部變量，它們都會被分配在線程棧內存中。

假如如今A線程來執行這個方法，這些變量會在A的棧內存分配。與此同時，B線程也來執行這個方法，這些變量也會在B的棧內存中分配。

也就是說這些局部變量會在每一個線程的棧內存中都分配一份。因爲線程的棧內存只能本身訪問，因此棧內存中的變量只屬於本身，其它線程根本就不知道。

就像每一個人的家只屬於本身，其餘人不能進來。因此你把1萬塊錢放到家裏，其餘人是不會知道的。且通常還會放到某個房間裏，而不是仍在客廳的桌子上。

因此把本身的東西放到本身的私人地盤，是安全的，由於其餘人沒法知道。並且越隱私的地方越好。


你們不要搶，人人有份


相信聰明的你已經發現，上面的解決方案是基於「位置」的。由於你放東西的「位置」只有你本身知道（或能到達），因此東西是安全的，所以這份安全是由「位置」來保障的。

在程序裏就對應於方法的局部變量。局部變量之因此是安全的，就是由於定義它的「位置」是在方法裏。這樣一來安全是達到了，可是它的使用範圍也就被限制在這個方法裏了，其它方法想用也不用了啦。

現實中每每會有一個變量須要多個方法都可以使用的狀況，此時定義這個變量的「位置」就不能在方法裏面了，而應該在方法外面。即從（方法的）局部變量變爲（類的）成員變量，其實就是「位置」發生了變化。

那麼按照主流編程語言的規定，類的成員變量不能再分配在線程的棧內存中，而應該分配在公共的堆內存中。其實也就是變量在內存中的「位置」發生了變化，由一個私有區域來到了公共區域。所以潛在的安全風險也隨之而來。

那怎麼保證在公共區域的東西安全呢？答案就是，你們不要搶，人人有份。設想你在街頭免費發放礦泉水，來了1萬人，你卻只有1千瓶水，結果可想而知，蜂擁而上，場面失守。但若是你有10萬瓶水，你們一看，水多着呢，不用着急，一個個排着隊來，由於確定會領到。

東西多了，天然就不值錢了，從另外一個角度來講，也就安全了。大街上的共享單車，如今都很安全，由於太多了，處處都是，都長得同樣，因此連搞破壞的人都放棄了。所以要讓一個東西安全，就瘋狂的copy它吧。

回到程序裏，要讓公共區域堆內存中的數據對於每一個線程都是安全的，那就每一個線程都拷貝它一份，每一個線程只處理本身的這一份拷貝而不去影響別的線程的，這不就安全了嘛。相信你已經猜到了，我要表達的就是ThreadLocal類了。

class StudentAssistant {
 ThreadLocal<String> realName = new ThreadLocal<>(); ThreadLocal<Double> totalScore = new ThreadLocal<>();
 String determineDegree() { double score = totalScore.get(); if (score >= 90) { return "A"; } if (score >= 80) { return "B"; } if (score >= 70) { return "C"; } if (score >= 60) { return "D"; } return "E"; }
 double determineOptionalcourseScore() { double score = totalScore.get(); if (score >= 90) { return 10; } if (score >= 80) { return 20; } if (score >= 70) { return 30; } if (score >= 60) { return 40; } return 60; }}

這個學生助手類有兩個成員變量，realName和totalScore，都是ThreadLocal類型的。每一個線程在運行時都會拷貝一份存儲到本身的本地。

A線程運行的是「張三」和「90」，那麼這兩個數據「張三」和「90」是存儲到A線程對象（Thread類的實例對象）的成員變量裏去了。假設此時B線程也在運行，是「李四」和「85」，那麼「李四」和「85」這兩個數據是存儲到了B線程對象（Thread類的實例對象）的成員變量裏去了。

線程類（Thread）有一個成員變量，相似於Map類型的，專門用於存儲ThreadLocal類型的數據。從邏輯從屬關係來說，這些ThreadLocal數據是屬於Thread類的成員變量級別的。從所在「位置」的角度來說，這些ThreadLocal數據是分配在公共區域的堆內存中的。

說的直白一些，就是把堆內存中的一個數據複製N份，每一個線程認領1份，同時規定好，每一個線程只能玩本身的那份，不許影響別人的。

須要說明的是這N份數據都仍是存儲在公共區域堆內存裏的，常常聽到的「線程本地」，是從邏輯從屬關係上來說的，這些數據和線程一一對應，彷彿成了線程本身「領地」的東西了。其實從數據所在「位置」的角度來說，它們都位於公共的堆內存中，只不過被線程認領了而已。這一點我要特意強調一下。

其實就像大街上的共享單車。原來只有1輛，你們搶着騎，老出問題。如今從這1輛複製出N輛，每人1輛，各騎各的，問題得解。共享單車就是數據，你就是線程。騎行期間，這輛單車從邏輯上來說是屬於你的，從所在位置上來說仍是在大街上這個公共區域的，由於你發現每一個小區大門口都貼着「共享單車，禁止入門」。哈哈哈哈。

共享單車是否是和ThreadLocal很像呀。再重申一遍，ThreadLocal就是，把一個數據複製N份，每一個線程認領一份，各玩各的，互不影響。


只能看，不能摸


放在公共區域的東西，只是存在潛在的安全風險，並非說必定就不安全。有些東西雖然也在公共區域放着，但也是十分安全的。好比你在大街上放一個上百噸的石頭雕像，就很是安全，由於你們都弄不動它。

再好比你去旅遊時，常常發現一些珍貴的東西，會被用鐵柵欄圍起來，上面掛一個牌子，寫着「只能看，不能摸」。固然能夠國際化一點，「only look，don't touch」。這也是很安全的，由於光看幾眼是不可能看壞的。

回到程序裏，這種狀況就屬於，只能讀取，不能修改。其實就是常量或只讀變量，它們對於多線程是安全的，想改也改不了。

class StudentAssistant {
 final double passScore = 60;}

好比把及格分數設定爲60分，在前面加上一個final，這樣全部線程都動不了它了。這就很安全了。


小節一下：以上三種解決方案，其實都是在「耍花招」。

第一種，找個只有本身知道的地方藏起來，固然安全了。

第二種，每人複製1份，各玩各的，互不影響，固然也安全了。

第三種，更狠了，直接規定，只能讀取，禁止修改，固然也安全了。

是否是都在「拈輕怕重」呀。若是這三種方法都解決不了，該怎麼辦呢？Don't worry，just continue reading。


沒有規則，那就先入爲主


前面給出的三種方案，有點「理想化」了。現實中的狀況實際上是很是混亂嘈雜的，沒有規則的。

好比在中午高峯期你去飯店吃飯，進門後發現只剩一個空桌子了，你心想先去點餐吧，回來就坐這裏吧。當你點完餐回來後，發現已經被別人捷足先登了。

由於桌子是屬於公共區域的物品，任何人均可以坐，那就只能誰先搶到誰坐。雖然你在人羣中曾多看了它一眼，但它並不會記住你容顏。

解決方法就不用我說了吧，讓一我的在那兒看着座位，其它人去點餐。這樣當別人再來的時候，你就能夠義正詞嚴的說，「很差意思，這個座位，我，已經佔了」。

我再次相信聰明的你已經猜到了我要說的東西了，沒錯，就是（互斥）鎖。

回到程序裏，若是公共區域（堆內存）的數據，要被多個線程操做時，爲了確保數據的安全（或一致）性，須要在數據旁邊放一把鎖，要想操做數據，先獲取鎖再說吧。

假設一個線程來到數據跟前一看，發現鎖是空閒的，沒有人持有。因而它就拿到了這把鎖，而後開始操做數據，幹了一會活，累了，就去休息了。

這時，又來了一個線程，發現鎖被別人持有着，按照規定，它不能操做數據，由於它沒法獲得這把鎖。固然，它能夠選擇等待，或放棄，轉而去幹別的。

第一個線程之因此敢大膽的去睡覺，就是由於它手裏拿着鎖呢，其它線程是不可能操做數據的。當它回來後繼續把數據操做完，就能夠把鎖給釋放了。鎖再次回到空閒狀態，其它線程就能夠來搶這把鎖了。仍是誰先搶到鎖誰操做數據。

class ClassAssistant {
 double totalScore = 60; final Lock lock = new Lock();
 void addScore(double score) { lock.obtain(); totalScore += score; lock.release(); }
 void subScore(double score) { lock.obtain(); totalScore -= score; lock.release(); }}

假定一個班級的初始分數是60分，這個班級抽出10名學生來同時參加10個不一樣的答題節目，每一個學生答對一次爲班級加上5分，答錯一次減去5分。由於10個學生一塊兒進行，因此這必定是一個併發情形。

所以加分和減分這兩個方法被併發的調用，它們共同操做總分數。爲了保證數據的一致性，須要在每次操做前先獲取鎖，操做完成後再釋放鎖。


相信世界充滿愛，即便被傷害


再回到一開始的例子，假如你往地上仍1萬塊錢，是否是必定會丟呢？這要看狀況了，若是是在人來人往的都市，能夠說確定會丟的。若是你跑到無人區扔地上，能夠說確定不會丟。

能夠看到，都是把東西無保護的放到公共區域裏，結果卻相差很大。這說明安全問題還和公共區域的環境情況有關係。

好比我把數據放到公共區域的堆內存中，可是始終都只會有1個線程，也就是單線程模型，那這數據確定是安全的。

再者說，2個線程操做同一個數據和200個線程操做同一個數據，這個數據的安全機率是徹底不同的。確定線程越多數據不安全的機率越大，線程越少數據不安全的機率越小。取個極限狀況，那就是隻有1個線程，那不安全機率就是0，也就是安全的。

可能你又猜到了我想表達的內容了，沒錯，就是CAS。可能你們以爲既然鎖能夠解決問題，那就用鎖得了，爲啥又冒出了個CAS呢？

那是由於鎖的獲取和釋放是要花費必定代價的，若是在線程數目特別少的時候，可能根本就不會有別的線程來操做數據，此時你還要獲取鎖和釋放鎖，能夠說是一種浪費。

針對這種「地廣人稀」的狀況，專門提出了一種方法，叫CAS（Compare And Swap）。就是在併發很小的狀況下，數據被意外修改的機率很低，可是又存在這種可能性，此時就用CAS。

假如一個線程操做數據，幹了一半活，累了，想要去休息。（貌似今天的線程體質都不太好）。因而它記錄下當前數據的狀態（就是數據的值），回家睡覺了。

醒來後打算繼續接着幹活，可是又擔憂數據可能被修改了，因而就把睡覺前保存的數據狀態拿出來和如今的數據狀態比較一下，若是同樣，說明本身在睡覺期間，數據沒有被人動過（固然也有多是先被改爲了其它，而後又改回來了，這就是ABA問題了），那就接着繼續幹。若是不同，說明數據已經被修改了，那以前作的那些操做其實都白瞎了，就乾脆放棄，從頭再從新開始處理一遍。

因此CAS這種方式適用於併發量不高的狀況，也就是數據被意外修改的可能性較小的狀況。若是併發量很高的話，你的數據必定會被修改，每次都要放棄，而後從頭再來，這樣反而花費的代價更大了，還不如直接加鎖呢。

這裏再解釋下ABA問題，假如你睡覺前數據是5，醒來後數據仍是5，並不能確定數據沒有被修改過。可能數據先被修改爲8而後又改回到5，只是你不知道罷了。對於這個問題，其實也很好解決，再加一個版本號字段就好了，並規定只要修改數據，必須使版本號加1。

這樣你睡覺前數據是5版本號是0，醒來後數據是5版本號是0，代表數據沒有被修改。若是數據是5版本號是2，代表數據被改動了2次，先改成其它，而後又改回到5。

我再次相信聰明的你已經發現了，這裏的CAS其實就是樂觀鎖，上一種方案裏的獲取鎖和釋放鎖其實就是悲觀鎖。樂觀鎖持樂觀態度，就是假設個人數據不會被意外修改，若是修改了，就放棄，從頭再來。悲觀鎖持悲觀態度，就是假設個人數據必定會被意外修改，那乾脆直接加鎖得了。

做者觀點：

前兩種屬於隔離法，一個是位置隔離，一個是數據隔離。

而後兩種是標記法，一個是隻讀標記，一個是加鎖標記。

最後一種是大膽法，先來懟一把試試，若不行從頭再來。