多線程併發爲何不安全

時間 2019-11-12

標籤多線程併發爲何安全欄目 Java 简体版

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1、線程安全定義

定義：java

多個線程訪問同一個對象時，若是不用考慮這些線程在運行時環境下的調度和交替執行，也不須要進行額外的同步，或者在調用方進行任何其餘操做，調用這個對象的行爲均可以得到正確的結果，那麼這個對象就是線程安全的。編程

該定義由Brian Goetz在《Java Concurrency In Practice》(Java併發編程實戰)中定義；被百度百科、《深刻理解Java虛擬機2》引用；安全

2、併發安全問題

大概不少人都知道一點爲何在多線程併發時會不安全，多線程同時操做對象的屬性或者狀態時，會由於線程之間的信息不一樣步，A線程讀取到的狀態已通過時，而A線程並不知道。因此併發安全的本質問題在於線程之間的信息不一樣步！性能優化

分析併發不安全的現象，再一層層展現其原理。多線程

2.一、競態條件

定義：併發

在併發編程中，因爲不恰當的執行時序而出現不正確的結果。性能

案例：優化

這是一個線程不安全的方法，咱們的指望是每次獲取queryTimes都會將queryTimes的值+1；可是當多線程併發訪問時，它的工做狀況並不如咱們所預想的那般；線程

static int queryTimes = 0;
public static int getTimes(){
    queryTimes = queryTimes +1;
    return queryTimes;
}

運行結果：http://www.javashuo.com/article/p-afuwuzar-hr.html

案例圖解：

圖解說明：

當線程A進入方法獲取到queryTimes=17時，線程B正準備進入方法；
當線程B獲取到queryTimes=18時，線程A還未處理值；
當線程A處理queryTimes+1 = 18後，線程B隨即處理queryTimes+1 = 18；
此時線程A纔將處理後到結果寫入queryTimes，隨後B也將18寫入到queryTimes；

根據上述，咱們知道當競態條件存在時，多個線程可能同時或者幾乎同時讀取到某個狀態(值)，而後將處理後到值進行寫入，此時咱們能夠說發生了數據的"髒讀"

總結：

競態條件是指多線程同時對數據進行改變，讀取到髒數據或寫入錯數據；

2.二、重排序、有序性、可見性

2.2.一、指令重排序

定義：

計算機爲了性能優化會對彙編指令進行從新排序，以便充分利用硬件的處理性能。

案例：

int a;
int b;
int c;

...略...
  
a = 1;       // 步驟a
b = 2;           // 步驟b
c = a + b;   // 步驟c

案例圖解：

案例分析

雖然代碼順序是步驟a、步驟b、步驟c
可是從時間上以上三種狀況都有可能
緣由是步驟a和步驟b並無依賴關係
因此爲了能快點執行，計算機會調整步驟a和步驟b的順序
由於步驟c依賴於步驟a和步驟b，因此重排序也會在a和b以後

2.2.二、有序性

定義：

在Java中，單線程老是順序執行的！

當編譯器和處理器重排序時，必須保證，無論怎麼重排序，單線程的執行結果不能被改變

2.2.三、可見性

定義：

多線程中，若線程A中進行的每一步均可以被線程B觀測到，則稱線程A對線程B具備可見性。

線程B不只能夠看到線程A處理的結果，還能準確的知道在處理過程當中，每個狀態的改變，已經狀態改變的順序；

Java線程的通信是透明的，線程之間不能夠直接進行信息交換，全部的通信必須同內存共享！因此多線程是自然不可見的，就是說若是不主動干涉的話，線程之間不可見，爲何呢，由於線程雖然第一步處理步驟a，第二步處理步驟b，可是先將步驟b的結果寫入主內存，後將步驟a的結果寫入主內存，則對觀測線程來講，首先看到的是步驟b的結果，而後纔是步驟a的結果！

2.三、內存模型

Java線程模型由主內存和工做內存組成；

如圖：

說明：

工做內存和主內存兩部分一塊兒組成Java線程的內存模型
工做內存是屬於線程的，不一樣線程的工做內存之間不可共享，不可通信
工做內存經過Load操做從主內存中讀取數據，經過Save操做將數據寫入主內存
線程之間的通信：本質上是指經過主內存的數據共享

解釋可見性：

如圖，Java線程之間是不可見的，由於線程的操做都在它自己的工做內存中完成，完成後的數據再寫入主內存。咱們稱線程之間不可見是由於線程自己沒有直接通信機制；可是線程能夠經過主內存進行數據交換，也能夠說線程之間可經過內存通信；

解釋有序性和無序性：

單線程有序，是由於單線程的數據操做自己在它私有的工做內存中進行，無論如何重排序，單線程的執行結果不可被改變，因此寫入主內存的結果老是正確的。

a = 1;       // 步驟a
b = 2;           // 步驟b
c = a + b;   // 步驟c

線程在被觀測時無序，由於當線程A中順序執行 a = 一、b = 1時，並不能保證先將a的值寫回主內存，徹底有可能先將b的值寫入主內存，這是不可預測的。因此在線程B中觀察線程A的處理順序，是很是不可靠的！

由於線程之間只能經過主內存來進行數據交換，因此線程B讀到a=0，b=1時，在線程A中可能已經時a=1，b=1。只不過尚未及時到將a的值寫入主內存。這樣線程B可能誤覺得線程A先執行的是b=1；

3、總結

多線程爲何不安全？如今應該有答案了！究其根本，是由於線程之間沒法準確的知道互相之間的狀態。那麼如何使得多線程安全呢，從內存角度來說，保證線程的工做內存之間的可見性和有序性，是多線程併發安全的基礎。例如volatile關鍵字和synchronized關鍵字，咱們除了從做用上了解他們，還能夠從更深層的內存語義上理解，他們之因此可以必定程度的解決線程安全問題，是由於他們約束了必定的內存處理方式！