Java如何实现多线程场景下的线程安全

1 引言

     当前随着计算机硬件的快速发展，个人电脑上的CPU也是多核的，现在普遍的CUP核数都是4核或者8核的。因此，在编写程序时，需要为了提高效率，充分发挥硬件的能力，则需要编写并行的程序。Java语言作为互联网应用的主要语言，广泛应用于企业应用程序的开发中，它也是支持多线程（Multithreading）的，但多线程虽好，却对程序的编写有较高的要求。

     单线程可以正确运行的程序不代表在多线程场景下能够正确运行，这里的正确性往往不容易被发现，它会在并发数达到一定量的时候才可能出现。这也是在测试环节不容易重现的原因。因此，多线程（并发）场景下，如何编写线程安全（Thread-Safety）的程序，对于程序的正确和稳定运行有重要的意义。下面将结合示例，谈谈如何在Java语言中，实现线程安全的程序。

    为了给出感性的认识，下面给出一个线程不安全的示例，具体如下:

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;
    }
}

   这个类有一个静态的属性counter，用于计数。其中可以通过静态方法add()对counter进行加1操作，也可以通过getCount()方法获取到当前的计数counter值。如果是单线程情况下，这个程序是没有问题的，比如循环10次，那么最后获取的计数counter值为10。但多线程情况下，那么这个结果就不一定能够正确获取，可能等于10，也可能小于10，比如9。下面给出一个多线程测试的示例：

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();
        }
    }
}

   这里为了重现计数的问题，线程数调至比较大，这里是5000。运行此示例，则输出可能结果如下：

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 4999

    注意：多线程场景下，线程不安全的程序输出结果具有不确定性。

2 synchronized方法

     基于上述的示例，让其变成线程安全的程序，最直接的就是在对应的方法上添加synchronized关键字，让其成为同步的方法。它可以修饰一个类，一个方法和一个代码块。对上述计数程序进行修改，代码如下:

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;
    }
}

    再次运行程序，则输出结果如下:

......
Thead[TCount1953] Count is 4998
Thead[TCount3087] Count is 4999
Thead[TCount2425] Count is 5000

3 加锁机制

     另外一种常见的同步方法就是加锁，比如Java中有一种重入锁ReentrantLock，它是一种递归无阻塞的同步机制，相对于synchronized来说，它可以提供更加强大和灵活的锁机制，同时可以减少死锁发生的概率。示例代码如下:

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();
        }
    }
}

    再次运行程序，则输出结果如下:

......
Thead[TCount1953] Count is 4998
Thead[TCount3087] Count is 4999
Thead[TCount2425] Count is 5000

  注意：Java中还提供了读写锁ReentrantReadWriteLock，这样可以进行读写分离，效率更高。

4 使用Atomic对象

     由于锁机制会影响一定的性能，而有些场景下，可以通过无锁方式进行实现。Java内置了Atomic相关原子操作类，比如AtomicInteger, AtomicLong, AtomicBoolean和AtomicReference，可以根据不同的场景进行选择。下面给出示例代码:

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();
    }
}

    再次运行程序，则输出结果如下:

......
Thead[TCount1953] Count is 4998
Thead[TCount3087] Count is 4999
Thead[TCount2425] Count is 5000

5 无状态对象

     前面提到，线程不安全的一个原因就是多个线程同时访问某个对象中的数据，数据存在共享的情况，因此，如果将数据变成独享的，即无状态（stateless）的话，那么自然就是线程安全的。而所谓的无状态的方法，就是给同样的输入，就能返回一致的结果。下面给出示例代码:

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;
    }
}

6 不可变对象

     前面提到，如果需要在多线程中共享一个数据，而这个数据给定值，就不能改变，那么也是线程安全的，相当于只读的属性。在Java中可以通过final关键字进行属性修饰。下面给出示例代码:

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

7 总结

     前面提到了几种线程安全的方法，总体的思想要不就是通过锁机制实现同步，要不就是防止数据共享，防止在多个线程中对数据进行读写操作。另外，有些文章中说到，可以在变量前使用volatile修饰，来实现同步机制，但这个经过测试是不一定的，有些场景下，volatile依旧不能保证线程安全。虽然上述是线程安全的经验总结，但是还是需要通过严格的测试进行验证，实践是检验真理的唯一标准。