线程安全问题的解决方案

Java 线程安全
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，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：

1. 使用线程安全类，比如 AtomicInteger。
2. 加锁排队执行
   1. 使用 synchronized 加锁。
   2. 使用 ReentrantLock 加锁。
3. 使用线程本地变量 ThreadLocal。

接下来逐个来看它们的实现。

线程安全问题演示

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);
    }
}

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());
    }
}

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);
    }
}

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);
    }
}

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);
    }
}

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。