线程安全是指某个方法或某段代码，在多线程中能够正确的执行，不会出现数据不一致或数据污染的情况，我们把这样的程序称之为线程安全的，反之则为非线程安全的。在 Java 中，解决线程安全问题有以下 3 种手段：
使用线程安全类，比如 AtomicInteger。
加锁排队执行
使用 synchronized 加锁。
使用 ReentrantLock 加锁。
使用线程本地变量 ThreadLocal。
接下来我们逐个来看它们的实现。
线程安全问题演示
我们创建一个变量 number 等于 0，之后创建线程 1，执行 100 万次 ++ 操作，同时再创建线程 2 执行 100 万次 -- 操作，等线程 1 和线程 2 都执行完之后，打印 number 变量的值，如果打印的结果为 0，则说明是线程安全的，否则则为非线程安全的，示例代码如下：
public class ThreadSafeTest { // 全局变量 private static int number = 0; // 循环次数(100W) private static final int COUNT = 1_000_000;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { // 线程1：执行 100W 次 ++ 操作 Thread t1 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < COUNT; i++) { number++; } }); t1.start();
// 线程2：执行 100W 次 -- 操作 Thread t2 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < COUNT; i++) { number--; } }); t2.start();
// 等待线程 1 和线程 2，执行完，打印 number 最终的结果 t1.join(); t2.join(); System.out.println("number 最终结果：" + number); }}
复制代码
以上程序的执行结果如下图所示：
从上述执行结果可以看出，number 变量最终的结果并不是 0，和预期的正确结果不相符，这就是多线程中的线程安全问题。
解决线程安全问题
1.原子类 AtomicInteger
AtomicInteger 是线程安全的类，使用它可以将 ++ 操作和 -- 操作，变成一个原子性操作，这样就能解决非线程安全的问题了，如下代码所示：
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class AtomicIntegerExample { // 创建 AtomicInteger private static AtomicInteger number = new AtomicInteger(0); // 循环次数 private static final int COUNT = 1_000_000;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { // 线程1：执行 100W 次 ++ 操作 Thread t1 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < COUNT; i++) { // ++ 操作 number.incrementAndGet(); } }); t1.start();
// 线程2：执行 100W 次 -- 操作 Thread t2 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < COUNT; i++) { // -- 操作 number.decrementAndGet(); } }); t2.start();
// 等待线程 1 和线程 2，执行完，打印 number 最终的结果 t1.join(); t2.join(); System.out.println("最终结果：" + number.get()); }}
复制代码
以上程序的执行结果如下图所示：
2.加锁排队执行
Java 中有两种锁：synchronized 同步锁和 ReentrantLock 可重入锁。
2.1 同步锁 synchronized
synchronized 是 JVM 层面实现的自动加锁和自动释放锁的同步锁，它的实现代码如下：
public class SynchronizedExample { // 全局变量 private static int number = 0; // 循环次数(100W) private static final int COUNT = 1_000_000;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { // 线程1：执行 100W 次 ++ 操作 Thread t1 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < COUNT; i++) { // 加锁排队执行 synchronized (SynchronizedExample.class) { number++; } } }); t1.start();
// 线程2：执行 100W 次 -- 操作 Thread t2 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < COUNT; i++) { // 加锁排队执行 synchronized (SynchronizedExample.class) { number--; } } }); t2.start();
// 等待线程 1 和线程 2，执行完，打印 number 最终的结果 t1.join(); t2.join(); System.out.println("number 最终结果：" + number); }}
复制代码
以上程序的执行结果如下图所示：
2.2 可重入锁 ReentrantLock
ReentrantLock 可重入锁需要程序员自己加锁和释放锁，它的实现代码如下：
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/** * 使用 ReentrantLock 解决非线程安全问题 */public class ReentrantLockExample { // 全局变量 private static int number = 0; // 循环次数(100W) private static final int COUNT = 1_000_000; // 创建 ReentrantLock private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { // 线程1：执行 100W 次 ++ 操作 Thread t1 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < COUNT; i++) { lock.lock(); // 手动加锁 number++; // ++ 操作 lock.unlock(); // 手动释放锁 } }); t1.start();
// 线程2：执行 100W 次 -- 操作 Thread t2 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < COUNT; i++) { lock.lock(); // 手动加锁 number--; // -- 操作 lock.unlock(); // 手动释放锁 } }); t2.start();
// 等待线程 1 和线程 2，执行完，打印 number 最终的结果 t1.join(); t2.join(); System.out.println("number 最终结果：" + number); }}
复制代码
以上程序的执行结果如下图所示：
3.线程本地变量 ThreadLocal
使用 ThreadLocal 线程本地变量也可以解决线程安全问题，它是给每个线程独自创建了一份属于自己的私有变量，不同的线程操作的是不同的变量，所以也不会存在非线程安全的问题，它的实现代码如下：
public class ThreadSafeExample { // 创建 ThreadLocal（设置每个线程中的初始值为 0） private static ThreadLocal<Integer> threadLocal = ThreadLocal.withInitial(() -> 0); // 全局变量 private static int number = 0; // 循环次数(100W) private static final int COUNT = 1_000_000;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { // 线程1：执行 100W 次 ++ 操作 Thread t1 = new Thread(() -> { try { for (int i = 0; i < COUNT; i++) { // ++ 操作 threadLocal.set(threadLocal.get() + 1); } // 将 ThreadLocal 中的值进行累加 number += threadLocal.get(); } finally { threadLocal.remove(); // 清除资源，防止内存溢出 } }); t1.start();
// 线程2：执行 100W 次 -- 操作 Thread t2 = new Thread(() -> { try { for (int i = 0; i < COUNT; i++) { // -- 操作 threadLocal.set(threadLocal.get() - 1); } // 将 ThreadLocal 中的值进行累加 number += threadLocal.get(); } finally { threadLocal.remove(); // 清除资源，防止内存溢出 } }); t2.start();
// 等待线程 1 和线程 2，执行完，打印 number 最终的结果 t1.join(); t2.join(); System.out.println("最终结果：" + number); }}
复制代码
以上程序的执行结果如下图所示：
总结
在 Java 中，解决线程安全问题的手段有 3 种：1.使用线程安全的类，如 AtomicInteger 类；2.使用锁 synchronized 或 ReentrantLock 加锁排队执行；3.使用线程本地变量 ThreadLocal 来处理。
是非审之于己，毁誉听之于人，得失安之于数。
公众号：Java 面试真题解析
面试合集：https://gitee.com/mydb/interview
评论