5招教你實現多線程場景下的線程安全

​​​​​​摘要：多線程（併發）場景下，如何編寫線程安全（Thread-Safety）的程序，對於程序的正確和穩定運行有重要的意義。下面將結合示例，談談如何在 Java 語言中，實現線程安全的程序。

本文分享自華爲雲社區《Java如何實現多線程場景下的線程安全》，做者： jackwangcumt 。

一、引言

當前隨着計算機硬件的快速發展，我的電腦上的 CPU 也是多核的，如今廣泛的 CUP 核數都是 4 核或者 8 核的。所以，在編寫程序時，須要爲了提升效率，充分發揮硬件的能力，則須要編寫並行的程序。Java 語言做爲互聯網應用的主要語言，普遍應用於企業應用程序的開發中，它也是支持多線程（Multithreading）的，但多線程雖好，卻對程序的編寫有較高的要求。

單線程能夠正確運行的程序不表明在多線程場景下可以正確運行，這裏的正確性每每不容易被發現，它會在併發數達到必定量的時候纔可能出現。這也是在測試環節不容易重現的緣由。所以，多線程（併發）場景下，如何編寫線程安全（Thread-Safety）的程序，對於程序的正確和穩定運行有重要的意義。下面將結合示例，談談如何在 Java 語言中，實現線程安全的程序。

爲了給出感性的認識，下面給出一個線程不安全的示例，具體以下：

package com.example.learn;
public class Counter {
    private static int counter = 0;
    public static int getCount(){
        return counter;
    }
    public static  void add(){
        counter = counter + 1;
    }
}

這個類有一個靜態的屬性 counter，用於計數。其中能夠經過靜態方法 add()對 counter 進行加 1 操做，也能夠經過 getCount()方法獲取到當前的計數 counter 值。若是是單線程狀況下，這個程序是沒有問題的，好比循環 10 次，那麼最後獲取的計數 counter 值爲 10。但多線程狀況下，那麼這個結果就不必定可以正確獲取，可能等於 10，也可能小於 10，好比 9。下面給出一個多線程測試的示例：

package com.example.learn;
public class MyThread extends Thread{
    private String name ;
    public MyThread(String name){
        this.name = name ;
    }
    public void run(){
        Counter.add();
        System.out.println("Thead["+this.name+"] Count is "+  Counter.getCount());
    }
}
///////////////////////////////////////////////////////////
package com.example.learn;
public class Test01 {
    public static void main(String[] args) {
        for(int i=0;i<5000;i++){
            MyThread mt1 = new MyThread("TCount"+i);
            mt1.start();
        }
    }
}

這裏爲了重現計數的問題，線程數調至比較大，這裏是 5000。運行此示例，則輸出可能結果以下：

Thead[TCount5] Count is 4
Thead[TCount2] Count is 9
Thead[TCount4] Count is 4
Thead[TCount14] Count is 10
..................................
Thead[TCount4911] Count is 4997
Thead[TCount4835] Count is 4998
Thead[TCount4962] Count is 4999

注意：多線程場景下，線程不安全的程序輸出結果具備不肯定性。

二、synchronized 方法

基於上述的示例，讓其變成線程安全的程序，最直接的就是在對應的方法上添加 synchronized 關鍵字，讓其成爲同步的方法。它能夠修飾一個類，一個方法和一個代碼塊。對上述計數程序進行修改，代碼以下:

package com.example.learn;
public class Counter {
    private static int counter = 0;
    public static int getCount(){
        return counter;
    }
    public static synchronized void add(){
        counter = counter + 1;
    }
}

再次運行程序，則輸出結果以下：

......
Thead[TCount1953] Count is 4998
Thead[TCount3087] Count is 4999
Thead[TCount2425] Count is 5000

三、加鎖機制

另一種常見的同步方法就是加鎖，好比 Java 中有一種重入鎖 ReentrantLock，它是一種遞歸無阻塞的同步機制，相對於 synchronized 來講，它能夠提供更增強大和靈活的鎖機制，同時能夠減小死鎖發生的機率。示例代碼以下：

package com.example.learn;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class Counter {
    private  static int counter = 0;
    private static final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
    public static int getCount(){
        return counter;
    }
    public static  void add(){
        lock.lock();
        try {
            counter = counter + 1;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

再次運行程序，則輸出結果以下:

......
Thead[TCount1953] Count is 4998
Thead[TCount3087] Count is 4999
Thead[TCount2425] Count is 5000

注意：Java 中還提供了讀寫鎖 ReentrantReadWriteLock，這樣能夠進行讀寫分離，效率更高。

四、使用 Atomic 對象

因爲鎖機制會影響必定的性能，而有些場景下，能夠經過無鎖方式進行實現。Java 內置了 Atomic 相關原子操做類，好比 AtomicInteger,AtomicLong, AtomicBoolean 和 AtomicReference，能夠根據不一樣的場景進行選擇。下面給出示例代碼：

package com.example.learn;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class Counter {
    private static final AtomicInteger counter = new AtomicInteger();
    public static int getCount(){
        return counter.get();
    }
    public static void add(){
        counter.incrementAndGet();
    }
}

再次運行程序，則輸出結果以下：

......
Thead[TCount1953] Count is 4998
Thead[TCount3087] Count is 4999
Thead[TCount2425] Count is 5000

五、無狀態對象

前面提到，線程不安全的一個緣由就是多個線程同時訪問某個對象中的數據，數據存在共享的狀況，所以，若是將數據變成獨享的，即無狀態（stateless）的話，那麼天然就是線程安全的。而所謂的無狀態的方法，就是給一樣的輸入，就能返回一致的結果。下面給出示例代碼:

package com.example.learn;
public class Counter {
    public static int sum (int n) {
        int ret = 0;
        for (int i = 1; i <= n; i++) {
            ret += i;
        }
        return ret;
    }
}

六、不可變對象

前面提到，若是須要在多線程中共享一個數據，而這個數據給定值，就不能改變，那麼也是線程安全的，至關於只讀的屬性。在 Java 中能夠經過 final 關鍵字進行屬性修飾。下面給出示例代碼:

package com.example.learn;
public class Counter {
    public final int count ;
    public Counter (int n) {
        count = n;
    }
}

七、總結

前面提到了幾種線程安全的方法，整體的思想要不就是經過鎖機制實現同步，要不就是防止數據共享，防止在多個線程中對數據進行讀寫操做。另外，有些文章中說到，能夠在變量前使用 volatile 修飾，來實現同步機制，但這個通過測試是不必定的，有些場景下，volatile 依舊不能保證線程安全。雖然上述是線程安全的經驗總結，可是仍是須要經過嚴格的測試進行驗證，實踐是檢驗真理的惟一標準。

 

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