如何只用5招實現多線程場景下的線程安全？

前言

1、引言

當前隨著計算機硬件的快速發展，個人電腦上的 CPU 也是多核的，現在普遍的 CUP 核數都是 4 核或者 8 核的。因此，在編寫程序時，需要為了提高效率，充分發揮硬件的能力，則需要編寫并行的程序。Java 語言作為互聯網應用的主要語言，廣泛應用于企業應用程序的開發中，它也是支持多線程（Multithreading）的，但多線程雖好，卻對程序的編寫有較高的要求。

單線程可以正確運行的程序不代表在多線程場景下能夠正確運行，這里的正確性往往不容易被發現，它會在并發數達到一定量的時候才可能出現。這也是在測試環節不容易重現的原因。因此，多線程（并發）場景下，如何編寫線程安全（Thread-Safety）的程序，對于程序的正確和穩定運行有重要的意義。下面將結合示例，談談如何在 Java 語言中，實現線程安全的程序。

為了給出感性的認識，下面給出一個線程不安全的示例，具體如下：

package com.example.learn; public class Counter { private static int counter = 0; public static int getCount(){ return counter; } public static void add(){ counter = counter + 1; } }1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.

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這個類有一個靜態的屬性 counter，用于計數。其中可以通過靜態方法 add()對 counter 進行加 1 操作，也可以通過 getCount()方法獲取到當前的計數 counter 值。如果是單線程情況下，這個程序是沒有問題的，比如循環 10 次，那么最后獲取的計數 counter 值為 10。但多線程情況下，那么這個結果就不一定能夠正確獲取，可能等于 10，也可能小于 10，比如 9。下面給出一個多線程測試的示例：

package com.example.learn; public class MyThread extends Thread{ private String name ; public MyThread(String name){ this.name = name ; } public void run(){ Counter.add(); System.out.println("Thead["+this.name+"] Count is "+ Counter.getCount()); } } /// package com.example.learn; public class Test01 { public static void main(String[] args) { for(int i=0;i<5000;i++){ MyThread mt1 = new MyThread("TCount"+i); mt1.start(); } } }1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.21.

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這里為了重現計數的問題，線程數調至比較大，這里是 5000。運行此示例，則輸出可能結果如下：

Thead[TCount5] Count is 4 Thead[TCount2] Count is 9 Thead[TCount4] Count is 4 Thead[TCount14] Count is 10 .................................. Thead[TCount4911] Count is 4997 Thead[TCount4835] Count is 4998 Thead[TCount4962] Count is 49991.2.3.4.5.6.7.8.

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注意：多線程場景下，線程不安全的程序輸出結果具有不確定性。

2、synchronized 方法

基于上述的示例，讓其變成線程安全的程序，最直接的就是在對應的方法上添加 synchronized 關鍵字，讓其成為同步的方法。它可以修飾一個類，一個方法和一個代碼塊。對上述計數程序進行修改，代碼如下:

package com.example.learn; public class Counter { private static int counter = 0; public static int getCount(){ return counter; } public static synchronized void add(){ counter = counter + 1; } }1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.

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再次運行程序，則輸出結果如下：

...... Thead[TCount1953] Count is 4998 Thead[TCount3087] Count is 4999 Thead[TCount2425] Count is 50001.2.3.4.

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3、加鎖機制

另外一種常見的同步方法就是加鎖，比如 Java 中有一種重入鎖 ReentrantLock，它是一種遞歸無阻塞的同步機制，相對于 synchronized 來說，它可以提供更加強大和靈活的鎖機制，同時可以減少死鎖發生的概率。示例代碼如下：

package com.example.learn; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; public class Counter { private static int counter = 0; private static final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true); public static int getCount(){ return counter; } public static void add(){ lock.lock(); try { counter = counter + 1; } finally { lock.unlock(); } } }1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.

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再次運行程序，則輸出結果如下:

...... Thead[TCount1953] Count is 4998 Thead[TCount3087] Count is 4999 Thead[TCount2425] Count is 50001.2.3.4.

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注意：Java 中還提供了讀寫鎖 ReentrantReadWriteLock，這樣可以進行讀寫分離，效率更高。

4、使用 Atomic 對象

由于鎖機制會影響一定的性能，而有些場景下，可以通過無鎖方式進行實現。Java 內置了 Atomic 相關原子操作類，比如 AtomicInteger,AtomicLong, AtomicBoolean 和 AtomicReference，可以根據不同的場景進行選擇。下面給出示例代碼：

package com.example.learn; import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger; public class Counter { private static final AtomicInteger counter = new AtomicInteger(); public static int getCount(){ return counter.get(); } public static void add(){ counter.incrementAndGet(); } }1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.

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再次運行程序，則輸出結果如下：

...... Thead[TCount1953] Count is 4998 Thead[TCount3087] Count is 4999 Thead[TCount2425] Count is 50001.2.3.4.

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5、無狀態對象

前面提到，線程不安全的一個原因就是多個線程同時訪問某個對象中的數據，數據存在共享的情況，因此，如果將數據變成獨享的，即無狀態（stateless）的話，那么自然就是線程安全的。而所謂的無狀態的方法，就是給同樣的輸入，就能返回一致的結果。下面給出示例代碼:

package com.example.learn; public class Counter { public static int sum (int n) { int ret = 0; for (int i = 1; i <= n; i++) { ret += i; } return ret; } }1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.

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6、不可變對象

前面提到，如果需要在多線程中共享一個數據，而這個數據給定值，就不能改變，那么也是線程安全的，相當于只讀的屬性。在 Java 中可以通過 final 關鍵字進行屬性修飾。下面給出示例代碼:

package com.example.learn; public class Counter { public final int count ; public Counter (int n) { count = n; } }1.2.3.4.5.6.7.

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7、總結

前面提到了幾種線程安全的方法，總體的思想要不就是通過鎖機制實現同步，要不就是防止數據共享，防止在多個線程中對數據進行讀寫操作。另外，有些文章中說到，可以在變量前使用 volatile 修飾，來實現同步機制，但這個經過測試是不一定的，有些場景下，volatile 依舊不能保證線程安全。雖然上述是線程安全的經驗總結，但是還是需要通過嚴格的測試進行驗證，實踐是檢驗真理的唯一標準。

最后

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任務調度 多線程

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