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舉個例子來說，比如銀行只有張三一個人來辦理業(yè)務，這種情況在程序中就叫做單線程執(zhí)行，而單線程執(zhí)行是沒有問題的，也就是線程安全的。但突然有一天來了很多人同時辦理業(yè)務，這種情況就叫做多線程執(zhí)行。如果所有人都一起爭搶著辦理業(yè)務，很有可能會導致錯誤，而這種錯誤就叫非線程安全。如果每個人都能有序排隊辦理業(yè)務，且工作人員不會操作失誤，我們就把這種情況稱之為線程安全的。
問題演示
接下來我們演示一下，程序中非線程安全的示例。我們先創(chuàng)建一個變量 number 等于 0，然后開啟線程 1 執(zhí)行 100 萬次 number++ 操作，同時再開啟線程 2 執(zhí)行 100 萬次 number-- 操作，等待線程 1 和線程 2 都執(zhí)行完，正確的結(jié)果 number 應該還是 0，但不加干預的多線程執(zhí)行結(jié)果卻與預期的正確結(jié)果不一致，如下代碼所示：
public class ThreadSafeTest {
// 全局變量
private static int number = 0;
// 循環(huán)次數(shù)(100W)
private static final int COUNT = 1_000_000;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 線程1：執(zhí)行 100W 次 number+1 操作
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
number++;
}
});
t1.start();
// 線程2：執(zhí)行 100W 次 number-1 操作
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
number--;
}
});
t2.start();
// 等待線程 1 和線程 2，執(zhí)行完，打印 number 最終的結(jié)果
t1.join();
t2.join();
System.out.println("number 最終結(jié)果：" + number);
}
}以上程序的執(zhí)行結(jié)果如下圖所示：
從上述執(zhí)行結(jié)果可以看出，number 變量最終的結(jié)果并不是 0，和我們預期的正確結(jié)果是不相符的，這就是多線程中的線程安全問題。
產(chǎn)生原因
導致線程安全問題的因素有以下 5 個：
- 多線程搶占式執(zhí)行。
- 多線程同時修改同一個變量。
- 非原子性操作。
- 內(nèi)存可見性。
- 指令重排序。
接下來我們分別來看這 5 個因素的具體含義。
1.多線程搶占式執(zhí)行
導致線程安全問題的第一大因素就是多線程搶占式執(zhí)行，想象一下，如果是單線程執(zhí)行，或者是多線程有序執(zhí)行，那就不會出現(xiàn)混亂的情況了，不出現(xiàn)混亂的情況，自然就不會出現(xiàn)非線程安全的問題了。
2.多線程同時修改同一個變量
如果是多線程同時修改不同的變量(每個線程只修改自己的變量)，也是不會出現(xiàn)非線程安全的問題了，比如以下代碼，線程 1 修改 number1 變量，而線程 2 修改 number2 變量，最終兩個線程執(zhí)行完之后的結(jié)果如下：
public class ThreadSafe {
// 全局變量
private static int number = 0;
// 循環(huán)次數(shù)(100W)
private static final int COUNT = 1_000_000;
// 線程 1 操作的變量 number1
private static int number1 = 0;
// 線程 2 操作的變量 number2
private static int number2 = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 線程1：執(zhí)行 100W 次 number+1 操作
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
number1++;
}
});
t1.start();
// 線程2：執(zhí)行 100W 次 number-1 操作
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
number2--;
}
});
t2.start();
// 等待線程 1 和線程 2，執(zhí)行完，打印 number 最終的結(jié)果
t1.join();
t2.join();
number = number1 + number2;
System.out.println("number=number1+number2 最終結(jié)果：" + number);
}
}以上程序的執(zhí)行結(jié)果如下圖所示：
從上述結(jié)果可以看出，多線程只要不是同時修改同一個變量，也不會出現(xiàn)線程安全問題。
3.非原子性操作
原子性操作是指操作不能再被分隔就叫原子性操作。比如人類吸氣或者是呼氣這個動作，它是一瞬間一次性完成的，你不可能先吸一半(氣)，停下來玩會手機，再吸一半(氣)，這種操作就是原子性操作。而非原子性操作是我現(xiàn)在要去睡覺，但睡覺之前要先上床，再拉被子，再躺下、再入睡等一系列的操作綜合在一起組成的，這就是非原子性操作。非原子性操作是有可以被分隔和打斷的，比如要上床之前，發(fā)現(xiàn)時間還在，先刷個劇、刷會手機、再玩會游戲，甚至是再吃點小燒烤等等，所以非原子性操作有很多不確定性，而這些不確定性就會造成線程安全問題問題。像 i++ 和 i-- 這種操作就是非原子的，它在 +1 或 -1 之前，先要查詢原變量的值，并不是一次性完成的，所以就會導致線程安全問題。比如以下操作流程：
|
操作步驟 |
線程1 |
線程2 |
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T1 |
讀取到 number=1，準備執(zhí)行 number-1 的操作，但還沒有執(zhí)行，時間片就用完了。 | |
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T2 |
讀取到 number=1，并且執(zhí)行 number+1 操作，將 number 修改成了 2。 | |
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T3 |
恢復執(zhí)行，因為之前已經(jīng)讀取了 number=1，所以直接執(zhí)行 -1 操作，將 number 變成了 0。 |
以上就是一個經(jīng)典的錯誤，number 原本等于 1，線程 1 進行 -1 操作，而線程 2 進行加 1，最終的結(jié)果 number 應該還等于 1 才對，但通過上面的執(zhí)行，number 最終被修改成了 0，這就是非原子性導致的問題。
4.內(nèi)存可見性問題
在 Java 編程中內(nèi)存分為兩種類型：工作內(nèi)存和主內(nèi)存，而工作內(nèi)存使用的是 CPU 寄存器實現(xiàn)的，而主內(nèi)存是指電腦中的內(nèi)存，我們知道 CPU 寄存器的操作速度是遠大于內(nèi)存的操作速度的，它們的性能差異如下圖所示：
那這和線程安全有什么關系呢?這是因為在 Java 語言中，為了提高程序的執(zhí)行速度，所以在操作變量時，會將變量從主內(nèi)存中復制一份到工作內(nèi)存，而主內(nèi)存是所有線程共用的，工作內(nèi)存是每個線程私有的，這就會導致一個線程已經(jīng)把主內(nèi)存中的公共變量修改了，而另一個線程不知道，依舊使用自己工作內(nèi)存中的變量，這樣就導致了問題的產(chǎn)生，也就導致了線程安全問題。
5.指令重排序
指令重排序是指 Java 程序為了提高程序的執(zhí)行速度，所以會對一下操作進行合并和優(yōu)化的操作。比如說，張三要去圖書館還書，舍友又讓張三幫忙借書，那么程序的執(zhí)行思維是，張三先去圖書館把自己的書還了，再去一趟圖書館幫舍友把書借回來。而指令重排序之后，把兩次執(zhí)行合并了，張三帶著自己的書去圖書館把書先還了，再幫舍友把書借出來，整個流程就執(zhí)行完了，這是正常情況下的指令重排序的好處。但是指令重排序也有“副作用”，而“副作用”是發(fā)生在多線程執(zhí)行中的，還是以張三借書和幫舍友還書為例，如果張三是一件事做完再做另一件事是沒有問題的(也就是單線程執(zhí)行是沒有問題的)，但如果是多線程執(zhí)行，就是兩件事由多個人混合著做，比如張三在圖書館遇到了自己的多個同學，于是就把任務分派給多個人一起執(zhí)行，有人借了幾本書、有人借了還了幾本書、有人再借了幾本書、有人再借了還了幾本書，執(zhí)行的很混亂沒有明確的目標，到最后悲劇就發(fā)生了，這就是在指令重排序帶來的線程安全問題。
總結(jié)
線程安全是指某個方法或某段代碼，在多線程中能夠正確的執(zhí)行，不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致或數(shù)據(jù)污染的情況，反之則為線程安全問題。簡單來說所謂的非線程安全是指：在多線程中，程序的執(zhí)行結(jié)果和預期的正確結(jié)果不一致的問題。而造成線程安全問題的因素有 5 個：多線程搶占式執(zhí)行、多線程同時修改同一個變量、非原子性操作、內(nèi)存可見性和指令重排序。
分享標題：面試突擊：線程安全問題是如何產(chǎn)生的？
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