Java中线程安全问题

一.线程不安全

多线程的执行环境中,程序的执行结果和预期的结果不符合,这就称为发生了线程不安全现象

二.那些情况导致了线程不安全?

大致分为以下5种情况:

(1)CPU抢占执行 (无法解决);
(2)非原子性 ;
(3)编译器优化(指令重排) 编译器优化在单线程下执行没问题,多线程下优化会发生混乱;
(4)内存的不可见性 ;(volatile轻量级解决)
(5)多个线程修改了同一个变量。(方案:让线程操作自己的变量可以解决该问题,但业务场景发生变化,修改难度变大,通用性不高)

三.Java中解决线程不安全的方案

1.volatile“轻量级”解决线程不安全

Java中线程安全问题
volatile的出现可以解决上图所展现的内存不可见问题以及禁止指令重排

  • 实现原理:工作内存中的变量操作结束后,强制删除线程工作内存中的变量,起到内存可见
  • 注意事项:volatile不能解决原子性问题。volatile可以解决线程不安全问题是错误的(说法不够严谨)

下面两种方案通过对关键代码加锁,让cpu排队执行,锁操作的步骤为: 1)尝试获取锁,如果拿到则加锁,否则排队等待获取锁 2)释放锁操作

2.synchronized使用举例:使用两个线程对变量count进行一次++ 和 一次- -

Java中线程安全问题
  • 没有使用synchronized上锁之前,由于非原子问题,两个线程进行++和- -出现线程不安全问题,通过synchronized关键字的使用,解决了非原子问题,代码运行实际结果和预期结果一致,保证了线程安全。

②synchronized实现原理:

1.基于操作系统而言,通过互斥锁mutex实现
2.从Jvm层面来看,实现了一个监视器锁的加锁和释放锁过程。
Java中线程安全问题
3.从Java语言本身来看,存在一个互斥锁mutex对象,锁存在于对象的对象头中,对象头中的“偏向线程ID”,表明该锁被该线程占有,释放锁后,偏向线程ID消失。

  • mutex结构信息:
    Java中线程安全问题
    Owner代表锁的拥有者,为null时表示锁未使用;Nest表示锁的使用次数,为0表示没有被使用;此外锁可以嵌套使用,不会发生死锁情况。

③synchronized锁升级过程:

没有线程访问时处于无锁状态 >> 第一个线程访问时,由无锁状态转为偏向锁 >> 轻量级锁(其他线程尝试获取锁,锁处于自旋状态) >> 重量级锁(把没有拿到锁的线程放到等待队列里面)

3.Lock手动上锁

Lock需要程序员自己手动上锁手动释放锁;Lock是一个interface;创建锁时可以通过Lock的实现类ReentrantLock()完成:Lock lock = new ReentrantLock();加锁操作lock.lock(),释放锁操作lock.unlock()

使用Lock需要注意的问题:

  • 一定要把加锁操作lock()放在try/finally外面
  • 如果把lock()放在try中会导致两个问题发生:
    (1)try中代码出现异常,此时就会执行finally中释放锁的操作,如果try还没有加锁就去释放锁,势必是不行的。
    (2)try中出现异常后,执行finally中释放锁操作,线程状态异常会将try中业务异常覆盖掉,增加了排除错误的成本。
    Java中线程安全问题
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    将lock()放在try中第一句可以解决这个问题
    Java中线程安全问题
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    对比发现,这样做业务异常是不会被线程的状态异常覆盖的,方便了排查错误!!!

四.公平锁与非公平锁机制

  • 公平锁线程按顺序执行;非公平锁没有顺序,执行效率更高;Java中默认锁策略为非公平锁机制
  • synchronized锁机制:采用非公平锁机制
  • Lock锁机制:默认采用非公平锁机制,但是可以显示地声明为公平锁,比如在创建锁对象时,在构造方法中传true:Lock lock = new ReentrantLock(true)

五.volatile和synchronized的区别

volatile可以解决内存不可见问题以及禁止指令重排序,但是不能解决非原子性问题;
synchronized可以解决大部分线程的非安全问题,保证关键代码排队执行,无论何时锁只被一个线程拥有,可解决非原子性问题

六.synchronized和Lock的区别

  • 1.synchronized自动加锁和释放锁,而Lock需要手动加锁和释放锁;
  • 2.synchronized是Jvm层面的实现,Lock是Java语言层面的实现;
  • 3.适用范围不同:synchronized可以修饰代码块(对任意对象加锁)、修饰静态方法(对当前的类进行加锁)、修饰普通的方法(对当前的实例对象进行加锁);而Lock只能修饰代码块;
  • 4.synchronized只有非公平锁策略;Lock默认采用非公平锁机制,但可以显示声明为公平锁;
  • 5.Lock的灵活性更高一些(比如:tryLock)

线程后续更新中…

版权声明:玥玥 发表于 2021-05-10 20:07:08。
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