变量的线程安全分析

4.4 变量的线程安全分析

成员变量和静态变量是否线程安全？

• 如果它们没有共享，则线程安全

• 如果它们被共享了，根据它们的状态是否能够改变，又分两种情况

• • 如果只有读操作，则线程安全
  • 如果有读写操作，则这段代码是临界区，需要考虑线程安全

局部变量是否线程安全？

• 局部变量是线程安全的

• 但局部变量引用的对象则未必

• • 如果该对象没有逃离方法的作用访问，它是线程安全的
  • 如果该对象逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全

局部变量线程安全分析

public static void test1() {
    int i = 10;
    i++; 
}

每个线程调用 test1() 方法时局部变量 i，会在每个线程的栈帧内存中被创建多份，因此不存在共享

public static void test1();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
        stack=1, locals=1, args_size=0
        0: bipush            10
        2: istore_0
        3: iinc               0, 1
        6: return
    LineNumberTable:
        line 10: 0
        line 11: 3
        line 12: 6
    LocalVariableTable:
        Start Length Slot Name Signature
            3      4     0    i   I

如图

局部变量的引用稍有不同

先看一个成员变量的例子

class ThreadUnsafe {
    ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
    public void method1(int loopNumber) {
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            // { 临界区, 会产生竞态条件
            method2();
            method3();
            // } 临界区
        }
    }
    private void method2() {
        list.add("1");
    }
    private void method3() {
        list.remove(0);
    }
}

执行

static final int THREAD_NUMBER = 2;
static final int LOOP_NUMBER = 200;
public static void main(String[] args) {
    ThreadUnsafe test = new ThreadUnsafe();
    for (int i = 0; i < THREAD_NUMBER; i++) {
        new Thread(() -> {
            test.method1(LOOP_NUMBER);
        }, "Thread" + i).start();
    }
}

其中一种情况是，如果线程2 还未 add，线程1 remove 就会报错：

---

大概是这么回事:

t1 add之后准备将size记为1但还没记的时候被 t2抢走,此时size仍未0

t2 add操作,并成功将size记为1,然后又被t1抢回,
t1 继续未完操作,再次将size记为1,这时又被t2抢走

t2 继续操作,remove之后,size记为0,然后又被t1抢走

此时t1再去remove时发现size为0,就报了异常

这个发生的概率还是极低的.......

Exception in thread "Thread1" java.lang.IndexOutOfBoundsException: Index: 0, Size: 0 
     at java.util.ArrayList.rangeCheck(ArrayList.java:657) 
     at java.util.ArrayList.remove(ArrayList.java:496) 
     at cn.itcast.n6.ThreadUnsafe.method3(TestThreadSafe.java:35) 
     at cn.itcast.n6.ThreadUnsafe.method1(TestThreadSafe.java:26) 
     at cn.itcast.n6.TestThreadSafe.lambda$main$0(TestThreadSafe.java:14) 
     at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

分析：

• 无论哪个线程中的 method2 引用的都是同一个对象中的 list 成员变量
• method3 与 method2 分析相同

将 list 修改为局部变量

class ThreadSafe {
    public final void method1(int loopNumber) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            method2(list);
            method3(list);
        }
    }
    private void method2(ArrayList<String> list) {
        list.add("1");
    }
    private void method3(ArrayList<String> list) {
        list.remove(0);
    }
}

那么就不会有上述问题了

分析：

• list 是局部变量，每个线程调用时会创建其不同实例，没有共享
• 而 method2 的参数是从 method1 中传递过来的，与 method1 中引用同一个对象
• method3 的参数分析与 method2 相同
  

方法访问修饰符带来的思考，如果把 method2 和 method3 的方法修改为 public 会不会出现线程安全问题？

• 情况1：有其它线程调用 method2 和 method3
• 情况2：在 情况1 的基础上，为 ThreadSafe 类添加子类，子类覆盖 method2 或 method3 方法，即

class ThreadSafe {
    public final void method1(int loopNumber) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            method2(list);
            method3(list);
        }
    }
    private void method2(ArrayList<String> list) {
        list.add("1");
    }
    private void method3(ArrayList<String> list) {
        list.remove(0);
    }
}

class ThreadSafeSubClass extends ThreadSafe{
    @Override
    public void method3(ArrayList<String> list) {
        new Thread(() -> {
            list.remove(0);
        }).start();
    }
}

从这个例子可以看出 private 或 final 提供【安全】的意义所在，请体会开闭原则中的【闭】

常见线程安全类

• String
• Integer
• StringBuffffer
• Random
• Vector
• Hashtable
• java.util.concurrent 包下的类

这里说它们是线程安全的是指，多个线程调用它们同一个实例的某个方法时，是线程安全的。也可以理解为

• 它们的每个方法是原子的
• 但注意它们多个方法的组合不是原子的，见后面分析

线程安全类方法的组合

分析下面代码是否线程安全？

Hashtable table = new Hashtable();
// 线程1，线程2
if( table.get("key") == null) {
    table.put("key", value);
}

---

不可变类线程安全性

String、Integer 等都是不可变类，因为其内部的状态不可以改变，因此它们的方法都是线程安全的

有同学或许有疑问，String 有 replace，substring 等方法【可以】改变值啊，那么这些方法又是如何保证线程安全的呢

public class Immutable{
    private int value = 0;
    
    public Immutable(int value){
        this.value = value;
    }
    
    public int getValue(){
        return this.value;
    }
}

如果想增加一个增加的方法呢？

public class Immutable{
    private int value = 0;
    
    public Immutable(int value){
        this.value = value;
    }
    
    public int getValue(){
        return this.value;
    }

    public Immutable add(int v){
        return new Immutable(this.value + v);
    }
}