【线程安全】 三类线程安全问题

什么是线程安全

《Java Concurrency In Practice》的作者 Brian Goetz 对线程安全是这样理解的，当多个线程访问一个对象时，如果不用考虑这些线程在运行时环境下的调度和交替执行问题，也不需要进行额外的同步，而调用这个对象的行为都可以获得正确的结果，那这个对象便是线程安全的。

通俗来讲，就是在多线程并发的情况下，每个线程的执行结果始终都是预期的结果。那么这个线程就是线程安全的。

出现线程安全的三种情况

在理解了上面的概念后，如果平时开发的时候就会发现，我们会经常遇到线程不安全的情况，大概的罗列了以下三种

• 运行结果错误
• 发布和初始化导致线程安全问题
• 活跃性问题

运行结果错误

首先我们先看下面一段代码

public class WrongResult {
    private static volatile int count = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                    count++;
                }
            }
        };
        Thread t0 = new Thread(runnable);
        Thread t1 = new Thread(runnable);

        t0.start();
        t1.start();

        t0.join();
        t1.join();
        System.out.println(count);
    }
}

上面这段代码的逻辑，就是两个线程对count进行自加一，每个线程都会循环自加1000次。那么预期的结果应该是2000。单其实执行的结果却没有2000，会始终比2000少，这究竟是什么原因导致这个种情况的发生呢。
这里就需要理解我们计算机CUP调度的分配了。在CUP的分配规则里面，是以时间为单位给每个线程去分配的，如果当前线程的所分配的时间执行完，就会切给另外一个线程去执行，这样不好的地方就是，他没有办法保证i + +的原子性，我们可以先看下面这张图。

通过上面的图我们可以了解到，i + +在cup执行的步骤其实分为三步

• 第一步是读取i的值
• 第二步是执行加一操作
• 第三步就是保存结果的值

这样我们就可以仔细的思考一下，如果CUP给线程一分配的时间只足够他执行到第二步操作，之后就被切到了线程二，那么这时就会导致线程二没有获取到最新的值，因为线程一还没有执行到第三步去保存结果就被CPU给切掉了。那么这个时候线程二再去自增计算出来的值，就会和线程一获得的结果一样的。自然我们拿到的结果就会比预期的结果少了很多。像这种情况也就是最典型的线程安全问题。

发布和初始化导致线程安全问题

这种就比较好理解，比如在项目启动的时候，去获取一段初始数据，但是这个数据需要通过线程异步的初始化才会有。但是线程初始化数据需要时间，如果程序在线程还没有初始化完成数据后就去获取数据，这个时候就会导致线程安全问题。可以看下面这段代码来理解。

public class WrongInit {

    private List<String> info;

    public WrongInit() {
        info = new ArrayList<>();
        Thread thread = new Thread(()->{
           info.add("数据开始初始化");
            try {
                info.add("数据初始化中....");
                //模拟数据初始化需要的时间
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
           info.add("数据初始化完成！");
        });
        thread.start();
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        WrongInit init = new WrongInit();
        init.info.forEach(System.out::println);
    }
}

上面的代码中，为了能模拟出数据没有完全初始化的情况，在线程中休眠了1秒中，其实数据应该是要打印出【数据初始化完成！】然而结果去只打印到【数据初始化中....】，其实在这里还会有另外一种情况，如果创建线程的时间大于程序调用的时间，可能会直接报空指针异常。这种也是线程不安全的情况。

活跃性问题

线程的活跃性问题其实可以分为三种，分别为死锁，活锁和饥饿。

这三种都有个一个共同的特性，就是他们会让线程卡住，死活也得不到运行结果，这种情况其实是最线程安全中最复杂的也是最严重的，如果线程卡住的太多，不仅会占用服务的资源，甚至还会导致服务假死或者宕机。

死锁

死锁比较常见，就是两个线程互相等单对方的资源，单同时又互不相让，都想自己先执行。可以看下面这段代码

public class ThreadDeadMain {

    private static Object o1 = new Object();

    private static Object o2 = new Object();

    public static void main(String[] args) {

        Thread thread01 = new Thread(()->{
           synchronized (o1){
               System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"获取到o1的锁了");
               try {
                   TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
               } catch (InterruptedException e) {
                   e.printStackTrace();
               }
               synchronized (o2){
                   System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"获取到o2的锁了");
               }
           }
        });

        Thread thread02 = new Thread(()->{
            synchronized (o2){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"获取到o2的锁了");
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (o1){
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"获取到o1的锁了");
                }
            }
        });
        thread01.start();
        thread02.start();
    }
}

上面这段代码中启动了两个线程，每个线程中有两个锁，线程1启动时会先获取o1的锁，然后再去获取o2的锁，之后才会执行完毕最后释放o2和o1的锁，线程2相对于线程1的逻辑则相反，显示获取o2的锁，然后再去获取o1的锁，最后执行完毕释放o2的锁再去释放o1的锁。为了让两个线程能发生死锁的情况，我在两个线程都获取第一个锁的时候让线程休眠的一秒种，这样等到两个线程同时去获取第二个锁的时候，就会发现，线程1的第二个锁的o2在线程2的第一个锁总没有释放，然而线程2的第二个锁o1又被线程1占着，这样就会发生两者互不相让，又同时占领着锁。导致程序一直卡着。

活锁

活锁相对于死锁有种相反的意思，死锁是卡着资源，然后活锁不一样，他不占用锁的资源，但是他会一直运行着，不过他会一直循环运行，但是一直没有遇到正确的结果，导致线程一直在运行。但是他不会像死锁一样卡着不运行。

可以看到下面这段代码

public class ThreadLiveMain implements Runnable {

    private int num;

    public ThreadLiveMain(int num) {
        this.num = num;
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("中奖数字："+num);
        int i = 0;
        do {
            //随机获取1-10的数字
            Random random = new Random();
            i = random.nextInt(10)+1;
            System.out.println("随机数："+i);
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }while (num!=i);
        System.out.println("抽中啦！");
    }
    public static void main(String[] args) {
        ThreadLiveMain main = new ThreadLiveMain(11);
        Thread thread = new Thread(main);
        thread.start();
    }
}

这是一个类似于抽奖的小程序，线程里面会随机出1-10的数字来判断自己是否中奖，如果我们给中奖数字在1-10内，这个时候程序就会得到正常的结果，因为他在随机数范围内。但是如果我们给了一个11，这个时候就超出随机数的范围了。线程会一直的去循环判断，但是又遇不到正确的随机数字，这样线程就不会停止下来，这种情况就称之为活锁。

饥饿

饥饿就比较有趣了，他就真的是因为饥饿所以才导致线程拿不到结果，Java的线程有优先级的概念，有1-10的优先级划分，如果一个线程的等级被设置到最低的1，那么这个线程可能永远也拿不到线程的资源，线程吃不到饭，自然也没力气干活，没力气干活那也就拿不到结果。还有一种情况就是某个线程持有某个文件的锁，如果其他线程想有修改文件就需要先获得这个文件的锁，那这个修改文件的线程就会陷入饥饿，没法在继续运行。