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线程安全及死锁问题

news 2025/8/30 16:16:08

系列文章目录

初步了解多线程-CSDN博客

目录

系列文章目录

前言

一、线程安全

1. 线程安全问题

2. 问题原因分析

3. 问题解决办法

4. synchronized 的优势

1. 自动解锁

2. 是可重入锁

二、死锁

1. 一个线程一把锁

2. 两个线程两把锁

3. N 个线程 M 把锁

4. 死锁的必要条件

5. 死锁的解决思路

三、Java 标准库中的线程安全类

四、内存可见性引起的线程安全问题

1. 线程安全问题及原因

2. 解决方法

3. 官方述语

前言

本文摘要： 文章系统讲解了Java多线程中的线程安全问题及解决方案。主要内容包括：1）线程安全问题的产生原因，如多线程修改共享变量、操作非原子性等；2）使用synchronized关键字的加锁机制解决线程安全问题，分析其优势（自动解锁、可重入锁）；3）死锁问题及其四种必要条件，提出通过破坏循环等待条件来避免死锁；4）Java标准库中线程安全与不安全类的对比；5）内存可见性问题及volatile关键字的解决方法。文章通过代码示例详细阐述了线程安全相关概念及实践方案。

一、线程安全

1. 线程安全问题

以下面代码为例：

public class ThreadDemo14 {private static int count = 0;public static void main(String[] args) {Thread t1 = new Thread(() -> {for(int i = 0; i < 50000; i++){count++;}});Thread t2 = new Thread(() -> {for(int i = 0; i < 50000; i++){count++;}});t1.start();t2.start();try {t1.join();t2.join();} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}System.out.println("count = " + count);}
}

上述代码的运行结果并不是 10w，而是一个小于 10w 的数字；

    自增操作在 CPU 上分为 3 步：

    • load：将内存中的数字加载到寄存器；
    • add()：寄存器中的数值实现自增；
    • save()：将寄存器中的值保存到内存中；

    假设 t1 线程在 t2 线程 save 之前，就执行了 load 操作，那么 t1 线程在 save 时，就会覆盖掉 t2 线程之前 save 的结果，导致 t2 之前的自增失效；同理 t2 也会覆盖掉 t1 save 的结果；两个线程出现互相覆盖的情况，就会让最终结果小于 10w；

    2. 问题原因分析

    出现线程安全问题的原因有以下几点：

    1. 线程的调度是随机的，这是问题的根本原因；

    2. 多个线程同时修改同一个变量；

    3. 自增操作本质上是三个 CPU 指令构成的，指令穿插容易发生结果覆盖；

    3. 问题解决办法

    针对原因 1，线程的调度是随机的，这是操作系统内部实现的，不能进行干预；

    针对原因 2，需要根据实际情况分析，但是不一定都能避免；

    针对原因 3，可以通过加锁的方式，将这几个 CPU 指令打包成一个整体；

    虽然在随机调度的过程中，仍然有可能执行一部分指令后将线程调度下 CPU，但是加锁之后，其它线程就会处于阻塞状态，即使线程被调度走，其它线程也不能进行插队，直到这个线程释放锁之后，其余线程才能尝试获取锁；、

    注意：

    加锁需要针对某个具体的锁对象进行加锁，加锁操作是需要基于锁对象的；

    在 Java 中，任何一个对象都可以作为锁对象；

    多个线程必须针对同一个锁对象加锁，才能产生锁竞争/锁冲突，才能解决线程安全问题；

    如果针对的是不同的锁对象加锁，不会产生锁竞争/锁冲突，线程安全问题仍然存在；

    Java 中加锁推荐使用 synchronized 关键字实现；

    如下：

    public class ThreadDemo15 {private static int count = 0;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Object locker = new Object();Thread t1 = new Thread(() -> {for(int i = 0; i < 50000; i++){synchronized(locker){count++;}}});Thread t2 = new Thread(() -> {for(int i = 0; i < 50000; i++){synchronized(locker){count++;}}});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println("count = " + count);}
}

    也可以在方法中，针对 this 进行加锁：

    public class ThreadDemo16 {private static int count = 0;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {ThreadDemo16 t = new ThreadDemo16();Thread t1 = new Thread(() -> {for(int i = 0; i < 50000; i++){t.add();}});Thread t2 = new Thread(() -> {for(int i = 0; i < 50000; i++){t.add();}});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println("count = " + count);}public void add(){synchronized(this){count++;}}
}

    针对 this 进行加锁，就等同于针对方法加锁：

        synchronized public void add(){count++;}

    注意：针对 this 加锁时，要判断不同线程中 this 表示的对象是否为同一个对象，同一个对象才能产生锁竞争/锁冲突，不同的对象不会产生；

    也可以针对类对象进行加锁：

        public void add(){synchronized (ThreadDemo16.class){count++;}}

    可以在静态方法进行加锁：

    public class ThreadDemo17 {private static int count = 0;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {private static int count = 0;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1 = new Thread(() -> {for(int i = 0; i < 50000; i++){add();}});Thread t2 = new Thread(() -> {for(int i = 0; i < 50000; i++){add();}});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println("count = " + count);}synchronized public static void add(){count++;}
}

    针对静态方法进行加锁，就相当于给类对象加锁：

        public static void add(){synchronized(ThreadDemo17.class){count++;}}

    4. synchronized 的优势

    1. 自动解锁

    synchronized 加锁，可以不考虑释放锁的问题，方法体中的代码执行完毕后，自动解锁；

    如果是通过 lock() 加锁，unlock() 解锁，类似这种方式，就需要代码中考虑解锁的时机；

    如果程序中间 break 了，或者抛出异常了，都需要把解锁考虑好，出现异常之前要把锁解了；

    2. 是可重入锁

    public class ThreadDemo18 {public static void main(String[] args) {Thread t = new Thread(() -> {Object locker = new Object();synchronized (locker){synchronized (locker){System.out.println("hello thread");}}});t.start();}
}

    上述代码，仍然可以打印 “hello thread”，原因是 synchronized 是可重入锁；

    t 线程已经获取了锁 locker，第二次再获取锁 locker 仍然可以获取到，而不会出现阻塞等待的问题，这样的热性就称为“可重入”；

    实现可重入锁的原理：

    实现可重入锁，需要在锁对象中加两个字段，一个记录持有锁的线程，另一个记录加锁的次数；

    第一次加锁时，记录持有锁的线程，并将将加锁的次数置为 1；

    后续再次或者多次加锁时，检测持有锁的线程是否为原来的线程，如果不是，尝试获取锁的线程就要阻塞等待；如果是原来的线程，就将计数器加 1；

    释放锁时，要注意如果计数器不为 1，就将计数器减 1，并且不真的释放锁；

    当计数器为 1，表示已经是最后一层锁，将计数器减 1，并释放锁，此时锁才真正被释放；

    二、死锁

    1. 一个线程一把锁

    如果锁不是可重入锁，同一个线程先后对同一个对象两次加锁，就会产生死锁问题；

    2. 两个线程两把锁

    如果线程 t1 持有锁 A，线程 t2 持有锁 B，t1 线程尝试获取锁 B，同时 t2 线程尝试获取锁 A，此时两个线程都会进入阻塞等待，都在等待对方释放锁，就会出现死锁问题；

    public class ThreadDemo19 {public static void main(String[] args) {Object locker1 = new Object();Object locker2 = new Object();Thread t1 = new Thread(() -> {synchronized(locker1){try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}synchronized (locker2){System.out.println("线程 t1 获取到 locker2");}}});Thread t2 = new Thread(() -> {synchronized(locker2){try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}synchronized (locker1){System.out.println("线程 t2 获取到 locker1");}}});t1.start();t2.start();}
}

    3. N 个线程 M 把锁

    假设有 5 个线程 t1, t2, t3, t4, t5，以及 5 把锁 locker1, locker2, locker3, locker4, locker5；

    按照 t1, locker1, t2, locker2, t3, locker3, ..., t5, locker5 呈环形排列；

    每个线程都必须获取到相邻的两把锁之后才能完成工作；

    正常情况下，只要有一个线程先获取到相邻的两把锁，就能完成工作，之后释放锁，其余线程也都能完成工作；

    特殊情况下，如果 t1, t2, t3, t4, t5 分别同时获取到了 locker5, locker1, loecker2, locker3, locker4，那么每个线程都无法完成工作，就会出现死锁的问题；

    4. 死锁的必要条件

    死锁有 4 个必要条件：

    1. 获取锁的过程是互斥的，同一把锁只能被一个线程获取，其它线程想要尝试获取锁，会进入阻塞等待；

    2. 锁无法抢占，一个线程拿到锁之后，必须要主动释放锁之后，其它线程才能获取；

    3. 请求保持，线程拿到锁 A 之后，在持有锁 A 的前提下，再尝试获取锁 B；

    4. 循环等待/环路等待，多个线程获取到不同的锁后，还需要再获取其余线程持有的锁，才能完成工作，多个线程获取锁的逻辑上形成一个环路；

    5. 死锁的解决思路

    死锁的解决思路要从死锁的必要条件入手，只要可以破坏死锁的必要条件，就能避免死锁；

    条件 1 和条件 2 都是锁的基本特性，是不能破坏的；

    条件 3 有时候可以在代码层面避免，有时候必须要同时持有多把锁才能完成工作，是否可以破坏取决于具体的业务逻辑；

    条件 4 是最容易破坏的，只要给获取锁的顺序制定规则，就能有效避免循环等待；比如，每个线程都要优先获取编号小的锁，那么 t1 就不会先获取 locker5，而是会和 t2 竞争 locker1，不管是谁先获取到了 locker1，另外一个线程都会进入阻塞等待，而不会去获取其它的锁，这样就避免了环路，也就解决了死锁问题；

    三、Java 标准库中的线程安全类

    线程不安全的类：

    • ArrayList
    • LinkedList
    • HashMap
    • TreeMap
    • HashSet
    • TreeSet
    • StringBuilder

    当有多个线程，同时修改上述对象，就容易出现线程安全问题；

    线程安全的类：

    • Vecter(不推荐使用)
    • HashTable(不推荐使用)
    • ConcurrentHashMap
    • StringBuffer
    • String

    这几个类都自带了锁，当多个线程同时修改，出现线程安全问题的可能性较小；

    这里需要注意 String，String 没有带锁，但是仍然是安全的；因为 String 中的字符数组或者 byte 数组是被 private 修饰的，是无法被获取，无法被修改；

    四、内存可见性引起的线程安全问题

    1. 线程安全问题及原因

    场景：使用一个线程读，一个线程写；

    读线程的涉及到 CPU 读内存，因为读内存的开销比较大，编译器可能将读内存优化成读寄存器，可能导致写线程即使对内存中的值做出修改，读线程也感知不到，如下：

    import java.util.Scanner;public class ThreadDemo20 {private static int isQuit = 0;public static void main(String[] args) {Thread t1 = new Thread(() -> {while(isQuit == 0){}System.out.println("hello t1");});Thread t2 = new Thread(() -> {Scanner in = new Scanner(System.in);System.out.println("请输入 isQuit 的值：");isQuit = in.nextInt();});t1.start();t2.start();}
}

    上述代码，即使输入了一个不为 0  的数，仍然不会打印 “hello t1”；

    原因：

    当用户输入完毕后，t1 线程中循环已经循环很多次了；

    在 CPU 中，判断 isQuit 是否为 0 分为两个步骤，一是需要将内存中 isQuit 的值，加载到 CPU 寄存器中，另外一个是判断寄存器中的值是否为 0；

    判断寄存器中的值是否为 0 是非常快的，但是将内存中 isQuit 的值加载到 CPU 寄存器中是很慢的；

    编译器经过多次循环，认为 isQuit 的值不会发生改变，并且将内存中的值加载到寄存器中开销很大，因此编译器会进行优化，经过多次循环后，不再读内存中的值，而是使用寄存器中的值进行比较；

    因此即使 t2 改变了 isQuit 的值，t1 也不会读取，因此会死循环；

    上述问题就称为内存可见性问题，因为内存不可见，导致发生线程安全问题；

    2. 解决方法

    解决问题的思路是使 CPU 持续加载 isQuit 的内存，确保 isQuit 的值发生改变时，可以及时读到；

    保持内存可见需要用到关键字 volatile，使用 volatile 关键字修饰 isQuit 即可；

    private volatile static int isQuit = 0;

    3. 官方述语

    在官方文档中通常把内存叫做主存（Main Memory），寄存器或者 CPU 的三级缓存称为工作内存（Working Memory）;

    上述的 CPU 寄存器，也有可能是 CPU 将内存中的数据加载到 CPU 的三级缓存当中；

    http://www.xdnf.cn/news/1395289.html

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