循序渐进帮你看穿线程安全问题

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2024年04月15日 15:15 · 阅读数 31

前言

关于线程安全问题是一块非常基础的知识，但基础不代表简单，一个人的基本功能往往能决定他是否可以写出高质量、高性能的代码。关于什么是synchronized、Lock、volatile，相信大家都能道出一二，但概念都懂一用就懵，一不小心还能写出一个死锁出来。本文将基于生产者消费者模式加一个个具体案例，循序渐进的讲解线程安全问题的诞生背景以及解决方案，一文帮你抓住synchronized的应用场景，以及与Lock的区别。

1. 线程安全问题的诞生背景以及解决方式

1.1 为什么线程间需要通信？

线程是CPU执行的基本单位，为了提高CPU的使用率以及模拟多个应用程序同时运行的场景，便衍生出了多线程的概念。在JVM架构下堆内存、方法区是可以被线程共享的，那为什么要这样设计呢？举个例子简要描述下：

现要做一个网络请求，请求响应后渲染到手机界面。Android为了提升用户体验将main线程当作UI线程，只做界面渲染，耗时操作应交由到工作线程。如若在UI线程执行耗时操作可能会出现阻塞现象，最直观的感受就是界面卡死。网络请求属于IO操作会出现阻塞想象，前面提到UI线程不允许出现阻塞现象，所以网络请求必须扔到工作线程，但拿到数据包后怎么传递给UI线程呢？最常规的做法就是回调接口，将HTTP数据包解析成本地模型，再通过接口将本地模型对应的堆内存地址值传递到UI线程。 工作线程将堆内存对象地址值交给UI线程这一过程，就是线程间通信，也是JVM将堆内存设置为线程共享的原因，关于线程间通信用一句通俗易懂的话描述就是："多个线程操作同一资源"，这一资源位于堆内存或方法区

1.2 单生产单消费引发的安全问题

"多个线程操作同一资源"，听起来如此的简单，殊不知一不小心便可能引发致命问题。哟，此话怎讲呢？，不急，容我娓娓道来... 案例现有一个车辆公司，主要经营四轮小汽车和两轮自行车，工人负责生产，销售员负责售卖。以上案例如何通过应用程序来实现？思路如下：定义一个车辆资源类，可以设置为小汽车和自行车

public class Resource {
    //一辆车对应一个id
    private int id;
    //车名
    private String name;
    //车的轮子数
    private int wheelNumber;
    //标记(后面会用到)
    private boolean flag = false;
    ...
    忽略setter、getter
    ...
    @Override
    public String toString() {
        return "id=" + id + "--- name=" + name  + "--- wheelNumber=" + wheelNumber;
    }
}

定义一个工人线程任务，专门用来生产四轮小汽车和俩轮自行车，为生产者

public class Input implements Runnable{
    private Resource r;
    public Input(Resource r){
        this.r = r;
    }
    public void run() {
        //无限生产车辆
        for(int i =0;;i++){
            if(i%2==0){
                r.setId(i);//设置车的id
                r.setName("小汽车");//设置车类型
                r.setWheelNumber(4);//设置车的轮子数
            }else{
                r.setId(i);//设置车的id
                r.setName("电动车");//设置车类型
                r.setWheelNumber(2);//设置车的轮子数
            }
        }
    }
}

定义一个销售员线程任务，专门用来销售车辆，为消费者

public class Output implements Runnable{
    private Resource r;
    public Output(Resource r){
        this.r = r;
    }
    public void run() {
        //无限消费车辆
        for(;;){
            //消费车辆
            System.out.println(r.toString());
        }
    }
}

开始生产、消费

//资源对象，对应车辆
Resource r = new Resource();
//生产者runnable，对应工人
Input in = new Input(r);
//消费者runnable，对应销售员
Output out = new Output(r);
Thread t1 = new Thread(in);
Thread t2 = new Thread(out);
//开启生产者线程
t1.start();
//开启消费者线程
t2.start();

打印结果：

...
id=51--- name=电动车--- wheelNumber=2
id=52--- name=小汽车--- wheelNumber=2
...

一切有条不紊的进行，老板数着钞票那叫一个开心。吃水不忘挖井人，正当老板准备给员工发奖金时，出现了一个严重问题 编号为52的小汽车少装了俩轮子！！！得，奖金不仅没了，还得连夜排查问题 导致原因： tips：流程对应上面打印结果。下同

生产者线程得到CPU执行权，将name和wheelNumber分别设置为电动车和2，随后CPU切换到了消费者线程。
消费者线程得到CPU执行权，此时name和wheelNumber别为电动车和2，随后打印name=电动车--- wheelNumber=2，CPU切换到了生产者线程。
生产者线程再次得到CPU执行权，将name设置为小汽车(未对wheelNumber进行设置)，此时name和wheelNumber分别为小汽车和2，CPU切换到了消费者线程。
消费者线程得到CPU执行权，此时name和wheelNumber别为小汽车和2，随后打印name=小汽车--- wheelNumber=2 工人："生产到一半你销售员就拿去卖了，这锅我不背"

解决方案：导致原因其实就是生产者对Resource的一次操作还未结束，消费者强行介入了。此时可以引入synchronized关键字，使得生产者一次工作结束前消费者不得介入更改后的代码如下：

#Input
public void run() {
   //无限生产车辆
   for(int i =0;;i++){
       synchronized(r){
           if(i%2==0){
               r.setId(i);//设置车的id
               r.setName("小汽车");//设置车类型
               r.setWheelNumber(4);//设置车的轮子数
           }else{
               r.setId(i);//设置车的id
               r.setName("电动车");//设置车类型
               r.setWheelNumber(2);//设置车的轮子数
           }
       }
    }      
}
    
#Output
public void run() {
   for(;;){
       synchronized(r){
           //消费车辆
           System.out.println(r.toString());
       }
   }
}

生产者和消费者for循环中都加了一个synchronized，对应的锁是r，修改后重新执行

...
id=79--- name=电动车--- wheelNumber=2
id=80--- name=小汽车--- wheelNumber=4
id=80--- name=小汽车--- wheelNumber=4
...

一切又恢复了正常。但又暴露出一个更严重的问题，编号为80的小汽车被消费(销售)了两次 也既销售员把一辆车卖给了两个客户，真乃商业奇才啊！！！ 导致原因：

生产者线程得到CPU执行权，将name和wheelNumber分别设置为小汽车和4，随后CPU执行权切换到了消费者线程。
消费者线程得到CPU执行权，此时name和wheelNumber别为小汽车和4，随后打印name=小汽车--- wheelNumber=4，但消费后 CPU执行权并未切换到生产者线程，而是由消费者线程继续执行，于是就出现了编号为80的小汽车被打印（消费）了两次

解决方案：产生问题的原因就是消费者把资源消费后未处于等待状态，而是继续消费。此时可以引入wait、notify机制，使得销售员售卖完一辆车后处于等待状态，当工人重新生产一辆新车后再通知销售员，销售员接收到工人消息后再进行售卖。更改后的代码如下：

#Input
public void run() {
    //无限生产车辆
    for(int i =0;;i++){
         synchronized(r){
              //flag为true的时候代表已经生产过，此时将当前线程wait，等待消费者消费
              if(r.isFlag()){
                  try {
                      r.wait();
                  } catch (InterruptedException e) {
                      e.printStackTrace();
                  }
              }
              if(i%2==0){
                  r.setId(i);//设置车的id
                  r.setName("小汽车");//设置车的型号
                  r.setWheel(4);//设置车的轮子数
              }else{
                  r.setId(i);//设置车的id
                  r.setName("电动车");//设置车的型号
                  r.setWheel(2);//设置车的轮子数
              }
              r.setFlag(true);
              //将线程池中的线程唤醒
              r.notify();
        }
    }
}
#Output
public void run() {
    //无限消费车辆
    for(;;){
        synchronized(r){
             //flag为false，代表当前生产的车已经被消费掉，
             //进入wait状态等待生产者生产
             if(!r.isFlag()){
                 try {
                     r.wait();
                 } catch (InterruptedException e) {
                     e.printStackTrace();
                 }
             }
             //消费车辆
             System.out.println(r.toString());
             r.setFlag(false);
             //将线程池中的线程唤醒
             r.notify();
        }
    }
}

打印结果：

...
id=129--- name=电动车--- wheelNumber=2
id=130--- name=小汽车--- wheelNumber=4
id=131--- name=电动车--- wheelNumber=2
...

这次真的没问题了，工人和销售员都如愿以偿的拿到了老板发的奖金 注意点1：

synchronized括号内传入的是一把锁，可以是任意类型的对象，生产者消费者必须使用同一把锁才能实现同步操作。这样设计的目的是为了更灵活使用同步代码块，否则整个进程那么多synchronized，锁谁不锁谁根本不明确 注意点2： wait、notify其实是object的方法，它们只能在synchronized代码块内由锁进行调用，否则就会抛异常。每一把锁对应线程池的一块区域，被wait的线程会被放入到锁对应的线程池区域，并且释放锁。notify会随机唤醒锁对应线程池区域的任意一个线程，线程被唤醒后会重新上锁，注意是随机唤醒任意一个线程

2. 由死锁问题看显示锁 Lock 的应用场景

2.1 何为死锁？

关于死锁，顾名思义应该是锁死了，它可以使线程处于假死状态但又没真死，卡在半道又无法被回收。举个例子：

class Deadlock1 implements Runnable{
    private Object lock1;
    private Object lock2;
    public Deadlock1(Object obj1,Object obj2){
        this.lock1 = obj1;
        this.lock2 = obj2;
    }
    public void run() {
        while(true){
            synchronized(lock1){
                System.out.println("Deadlock1----lock1");
                synchronized(lock2){
                    System.out.println("Deadlock1----lock2");
                }
            }
        }
    }
}
class Deadlock2 implements Runnable{
    private Object lock1;
    private Object lock2;
    public Deadlock2(Object obj1,Object obj2){
        this.lock1 = obj1;
        this.lock2 = obj2;
    }
    public void run() {
        while(true){
            synchronized(lock2){
                System.out.println("Deadlock2----lock2");
                synchronized(lock1){
                    System.out.println("Deadlock2----lock1");
                }
            }
        }
    }
}
#运行
private static final Object lock1 = new Object();
private static final Object lock2 = new Object();
public static void main(String[] args) {
      Deadlock1 d1 = new Deadlock1(lock1,lock2);
      Deadlock2 d2 = new Deadlock2(lock1,lock2);
      Thread t1 = new Thread(d1);
      Thread t2 = new Thread(d2);
      t1.start();
      t2.start();
}

运行后打印结果：

Deadlock1----lock1
Deadlock2----lock2

run()方法中写的是无限循环，按理来说应该是无限打印。但程序运行后，在我没有终止控制台的情况下只打印了这两行数据。实际上这一过程引发了死锁，具体缘由如下：

线程t1执行，判断了第一个同步代码块，此时锁lock1可用，于是持着锁lock1进入了第一个同步代码块，打印了：Deadlock1----lock1，随后线程切换到了线程t2
线程t2执行，判断第一个同步代码块，此时锁lock2可用，于是持着锁lock2进入了第一个同步代码块，打印了：Deadlock2----lock2，接着向下执行，判断锁lock1不可用(因为锁lock1已经被线程t1所占用)，于是线程t1进行等待.随后再次切换到线程t1
线程t1执行，判断第二个同步代码块，此时锁lock2不可用(因为所lock2已经被线程t2所占用)，线程t1也进入了等待状态通过以上描述可知：线程t1持有线程t2需要的锁进行等待，线程t2持有线程t1所需要的锁进行等待，两个线程各自拿着对方需要的锁处于一种僵持现象，导致线程假死即死锁 以上案例只是死锁的一种，死锁的标准就是判断线程是否处于假死状态

2.2 多生产多消费场景的死锁如何避免？

第一小节主要是在讲单生产单消费，为了进一步提升运行效率可以适当引入多生产多消费，既多个生产者多个消费者。继续引用第一小节案例，稍作改动：

//生产者任务
class Input implements Runnable{
    private Resource r;
    //将i写为成员变量而不是写在for循环中是为了方便讲解下面多生产多消费的内容，没必要纠结这点
    private int i = 0;
    public Input(Resource r){
        this.r = r;
    }
    public void run() {
        //无限生产车辆
        for(;;){
            synchronized(r){
                //flag为true的时候代表已经生产过，此时将当前线程wait，等待消费者消费
                if(r.isFlag()){
                    try {
                        r.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                if(i%2==0){
                    r.setId(i);//设置车的id
                    r.setName("小汽车");//设置车的型号
                    r.setWhell(4);//设置车的轮子数
                }else{
                    r.setId(i);//设置车的id
                    r.setName("电动车");//设置车的型号
                    r.setWhell(2);//设置车的轮子数
                }
                i++;
                r.setFlag(true);
                //将线程池中的线程唤醒
                r.notify();
            }
        }
    }
}

public static void main(String[] args) {
        Resource r = new Resource();
        Input in = new Input(r);
        Output out = new Output(r);
        Thread in1= new Thread(in);
        Thread in2 = new Thread(in);
        Thread out1 = new Thread(out);
        Thread out2 = new Thread(out);
        in1.start();//开启生产者1线程
        in2 .start();//开启生产者2线程
        out1 .start();//开启消费者1线程
        out2 .start();//开启消费者2线程
}

运行结果：

id=211--- name=自行车--- wheelNumber=2
id=220--- name=小汽车--- wheelNumber=4
id=220--- name=小汽车--- wheelNumber=4
id=220--- name=小汽车--- wheelNumber=4
...

安全问题又产生了，编号为211-220的车辆未被打印，也即生产了未被消费。同时编号为220的车辆被打印了三次。先别着急，我接着给大家分析：

生产者线程in1得到执行权，生产了id为211的车辆，将flag置为true，循环回来再判断标记为true，此时执wait()方法进入等待状态
生产者线程in2得到执行权，判断标记为true，执行wait()方法进入等待状态。
消费者线程out1得到执行权，判断标记为true，不进行等待而是选择了消费id为211的车辆，消费完毕后将标记置为false并执行notify()将线程池中的任意一个线程给唤醒，假设唤醒的是in1
生产者线程in1再次得到执行权，此时生产者线程in1被唤醒后不会判断标记而是选择生产一辆id为1的车辆，随后将标记置为true并执行notify()将线程池中任意一个线程给唤醒，假设唤醒的是in2
生产者线程in2再次得到执行权，此时生产者线程in2被唤醒后不会判断标记而是直接生产了一辆id为212的车辆，随后唤醒in1生产id为213的车辆，再唤醒in2..... 以上即为编号211-220的车辆未被打印的原因，编号为220车辆重复打印同理。如何解决？其实很简单，将生产者和消费者判断flag地方的if更改成while,被唤醒后重新再判断标记即可。代码就不重复贴了，运行结果如下：

id=0--- name=小汽车--- wheelNumber=4
id=1--- name=电动车--- wheelNumber=2
id=2--- name=小汽车--- wheelNumber=4
id=3--- name=电动车--- wheelNumber=2
id=4--- name=小汽车--- wheelNumber=4

看起来很正常，但在我没有关控制台的情况下打印到编号为4的车辆时停了，没错，死锁出现了，具体原因如下：

线程in1开始执行，生产了一辆车将flag置为true，循环回来判断flag进入wait()状态，此时线程池中进行等待的线程有：in1
线程in2开始执行，判断flag为true进入wait()状态，此时线程池中进行等待的线程有：in1，in2
线程out1开始执行，判断flag为true，消费了一辆汽车将flag置为false并唤醒一个线程，我们假定唤醒的为in1(这里需要注意，被唤醒并不意味着会立刻执行，只是当前具备着执行资格但并不具备执行权)，线程out1循环回来判读flag进入wait状态，此时线程池中的线程有in2，out1，随后out2得到执行权
线程out2开始执行，判断标记为false，进入等待状态，此时线程池中的线程有in2，out1，out2
线程in1开始执行，判断标记为false，生产了一辆汽车必将flag置为true并唤醒线程池中的一个线程，我们假定唤醒的是in2，随后in1循环判断flag进入wait()状态，此时线程池中的线程有in1，out1，out2
线程int2得到执行权，判断标记为false，进入wait()状态，此时线程池中的线程有in1，in2，out1，out2 所有生产者消费者线程都被wait掉了，导致了死锁现象的产生。根本原因在于生产者wait后理应唤醒消费者，而不是唤醒生产者，object还有一个方法notifyAll()，它可以唤醒锁对应线程池区域的所有线程，所以将notify替换成notifyAll即可解决以上死锁问题

2.3 通过 Lock 优雅的解决死锁问题

2.2提到的notifyAll是可以解决死锁问题，但不够优雅，因为notifyAll()会唤醒对应线程池所有线程，单其实只需要唤醒一个即可，多了就会造成线程反复被wait，进而会造成性能问题。所以后来Java在1.5版本引入了显示锁Lock的概念，它可以灵活的指定wait、notify的作用域，专门用来解决此类问题。通过显示锁Lock对2.2死锁问题改进后代码如下：

#生产者
class Input implements Runnable{
    private Resource r;
    private int i = 0;
    private Lock lock;
    private Condition in_con;//生产者监视器
    private Condition out_con;//消费者监视器
    public Input(Resource r,Lock lock,Condition in_con,Condition out_con){
        this.r = r;
        this.lock = lock;
        this.in_con = in_con;
        this.out_con = out_con;
    }
    public void run() {
        //无限生产车辆
        for(;;){
            lock.lock();//获取锁
            //flag为true的时候代表已经生产过，此时将当前线程wait，等待消费者消费
            while(r.isFlag()){
                try {
                    in_con.await();//跟wait作用相同
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            if(i%2==0){
                r.setId(i);//设置车的id
                r.setName("小汽车");//设置车的型号
                r.setWhell(4);//设置车的轮子数
            }else{
                r.setId(i);//设置车的id
                r.setName("电动车");//设置车的型号
                r.setWhell(2);//设置车的轮子数
            }
            i++;
            r.setFlag(true);
            //将线程池中的消费者线程唤醒
            out_con.signal();
            lock.unlock();//释放锁
        }
    }
}
//消费者
class Output implements Runnable{
    private Resource r;
    private Lock lock;
    private Condition in_con;//生产者监视器
    private Condition out_con;//消费者监视器
    public Output(Resource r,Lock lock,Condition in_con,Condition out_con){
        this.r = r;
        this.lock = lock;
        this.in_con = in_con;
        this.out_con = out_con;
    }
    public void run() {
        //无限消费车辆
        for(;;){
            lock.lock();//获取锁
            while(!r.isFlag()){
                try {
                    out_con.await();//将消费者线程wait
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println(r.toString());
            r.setFlag(false);
            in_con.signal();//唤醒生产者线程
            lock.unlock();//释放锁
        }
    }
}
public static void main(String[] args) {
        Resource r = new Resource();
        Lock lock = new ReentrantLock();
        //生产者监视器
        Condition in_con = lock.newCondition();
        //消费者监视器
        Condition out_con = lock.newCondition();
        Input in = new Input(r,lock,in_con,out_con);
        Output out = new Output(r,lock,in_con,out_con);
        Thread t1 = new Thread(in);
        Thread t2 = new Thread(in);
        Thread t3 = new Thread(out);
        Thread t4 = new Thread(out);
        t1.start();//开启生产者线程
        t2.start();//开启生产者线程
        t3.start();//开启消费者线程
        t4.start();//开启消费者线程
    }

这次就真的没问题了。其中Lock对应synchronized，Condition为Lock下的监视器，每一个监视器对应一个wait、notify作用域，注释写的很清楚就不再赘述

综上所述

多线程是用来提升CUP使用率的
多个线程访问同一资源可能会引发安全问题
synchronized配合wait、notify可以解决线程安全问题
Lock可以解决synchronized下wait、notify的局限性

已经深夜12点了...本想一文理清所有关于线程安全的问题，但到这发现篇幅已经很长啦，为了不影响阅读体验先到此为止吧～～如果大家感兴趣欢迎评论区留言，我下篇文章再详细讲解volatile的设计背景，以及它与synchronized的区别

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