5個步驟讓你明白多線程和線程安全

什麼是進程？

電腦中時會有很多單獨運行的程序，每個程序有一個獨立的進程，而進程之間是相互獨立存在的。比如下圖中的QQ、酷狗播放器、電腦管傢等等。

什麼是線程？

進程想要執行任務就需要依賴線程。換句話說，就是進程中的最小執行單位就是線程，並且一個進程中至少有一個線程。

那什麼是多線程？提到多線程這裡要說兩個概念，就是串行和並行，搞清楚這個，我們才能更好地理解多線程。

所謂串行，其實是相對於單條線程來執行多個任務來說的，我們就拿下載文件來舉個例子：當我們下載多個文件時，在串行中它是按照一定的順序去進行下載的，也就是說，必須等下載完A之後才能開始下載B，它們在時間上是不可能發生重疊的。

並行：下載多個文件，開啟多條線程，多個文件同時進行下載，這裡是嚴格意義上的，在同一時刻發生的，並行在時間上是重疊的。

瞭解瞭這兩個概念之後，我們再來說說什麼是多線程。舉個例子，我們打開騰訊管傢，騰訊管傢本身就是一個程序，也就是說它就是一個進程，它裡面有很多的功能，我們可以看下圖，能查殺病毒、清理垃圾、電腦加速等眾多功能。

按照單線程來說，無論你想要清理垃圾、還是要病毒查殺，那麼你必須先做完其中的一件事，才能做下一件事，這裡面是有一個執行順序的。

如果是多線程的話，我們其實在清理垃圾的時候，還可以進行查殺病毒、電腦加速等等其他的操作，這個是嚴格意義上的同一時刻發生的，沒有執行上的先後順序。

以上就是，一個進程運行時產生瞭多個線程。

在瞭解完這個問題後，我們又需要去瞭解一個使用多線程不得不考慮的問題——線程安全。

今天我們不說如何保證一個線程的安全，我們聊聊什麼是線程安全？因為我之前面試被問到瞭，說真的，我之前真的不是特別瞭解這個問題，我們好像隻學瞭如何確保一個線程安全，卻不知道所謂的安全到底是什麼！

什麼是線程安全？

既然是線程安全問題，那麼毫無疑問，所有的隱患都是在多個線程訪問的情況下產生的，也就是我們要確保在多條線程訪問的時候，我們的程序還能按照我們預期的行為去執行，我們看一下下面的代碼。

Integer count = 0;
public void getCount() {
       count ++;
       System.out.println(count);
 }

很簡單的一段代碼，下面我們就來統計一下這個方法的訪問次數，多個線程同時訪問會不會出現什麼問題，我開啟的3條線程，每個線程循環10次，得到以下結果：

我們可以看到，這裡出現瞭兩個26，出現這種情況顯然表明這個方法根本就不是線程安全的，出現這種問題的原因有很多。

最常見的一種，就是我們A線程在進入方法後，拿到瞭count的值，剛把這個值讀取出來，還沒有改變count的值的時候，結果線程B也進來的，那麼導致線程A和線程B拿到的count值是一樣的。

那麼由此我們可以瞭解到，這確實不是一個線程安全的類，因為他們都需要操作這個共享的變量。其實要對線程安全問題給出一個明確的定義，還是蠻復雜的，我們根據我們這個程序來總結下什麼是線程安全。

當多個線程訪問某個方法時，不管你通過怎樣的調用方式、或者說這些線程如何交替地執行，我們在主程序中不需要去做任何的同步，這個類的結果行為都是我們設想的正確行為，那麼我們就可以說這個類是線程安全的。  

搞清楚瞭什麼是線程安全，接下來我們看看Java中確保線程安全最常用的兩種方式。先來看段代碼。

public void threadMethod(int j) {

    int i = 1;

    j = j + i;
}

大傢覺得這段代碼是線程安全的嗎？

毫無疑問，它絕對是線程安全的，我們來分析一下，為什麼它是線程安全的？

我們可以看到這段代碼是沒有任何狀態的，就是說我們這段代碼，不包含任何的作用域，也沒有去引用其他類中的域進行引用，它所執行的作用范圍與執行結果隻存在它這條線程的局部變量中，並且隻能由正在執行的線程進行訪問。當前線程的訪問，不會對另一個訪問同一個方法的線程造成任何的影響。

兩個線程同時訪問這個方法，因為沒有共享的數據，所以他們之間的行為，並不會影響其他線程的操作和結果，所以說無狀態的對象，也是線程安全的。

添加一個狀態呢？

如果我們給這段代碼添加一個狀態，添加一個count，來記錄這個方法並命中的次數，每請求一次count+1，那麼這個時候這個線程還是安全的嗎？

public class ThreadDemo {

   int count = 0; // 記錄方法的命中次數

   public void threadMethod(int j) {

       count++ ;

       int i = 1;

       j = j + i;
   }
}

很明顯已經不是瞭，單線程運行起來確實是沒有任何問題的，但是當出現多條線程並發訪問這個方法的時候，問題就出現瞭，我們先來分析下count+1這個操作。

進入這個方法之後首先要讀取count的值，然後修改count的值，最後才把這把值賦值給count，總共包含瞭三步過程：“讀取”一>“修改”一>“賦值”，既然這個過程是分步的，那麼我們先來看下面這張圖，看看你能不能看出問題：

可以發現，count的值並不是正確的結果，當線程A讀取到count的值，但是還沒有進行修改的時候，線程B已經進來瞭，然後線程B讀取到的還是count為1的值，正因為如此所以我們的count值已經出現瞭偏差，那麼這樣的程序放在我們的代碼中，是存在很多的隱患的。

如何確保線程安全？

既然存在線程安全的問題，那麼肯定得想辦法解決這個問題，怎麼解決？我們說說常見的幾種方式。

1、synchronized

synchronized關鍵字，就是用來控制線程同步的，保證我們的線程在多線程環境下，不被多個線程同時執行，確保我們數據的完整性，使用方法一般是加在方法上。

public class ThreadDemo {

   int count = 0; // 記錄方法的命中次數

   public synchronized void threadMethod(int j) {

       count++ ;

       int i = 1;

       j = j + i;
   }
}

這樣就可以確保我們的線程同步瞭，同時這裡需要註意一個大傢平時忽略的問題，首先synchronized鎖的是括號裡的對象，而不是代碼，其次，對於非靜態的synchronized方法，鎖的是對象本身也就是this。

當synchronized鎖住一個對象之後，別的線程如果想要獲取鎖對象，那麼就必須等這個線程執行完釋放鎖對象之後才可以，否則一直處於等待狀態。

註意點：雖然加synchronized關鍵字，可以讓我們的線程變得安全，但是我們在用的時候，也要註意縮小synchronized的使用范圍，如果隨意使用時很影響程序的性能，別的對象想拿到鎖，結果你沒用鎖還一直把鎖占用，這樣就有點浪費資源。

2、Lock

先來說說它跟synchronized有什麼區別吧，Lock是在Java1.6被引入進來的，Lock的引入讓鎖有瞭可操作性，什麼意思？就是我們在需要的時候去手動的獲取鎖和釋放鎖，甚至我們還可以中斷獲取以及超時獲取的同步特性，但是從使用上說Lock明顯沒有synchronized使用起來方便快捷。我們先來看下一般是如何使用的：

private Lock lock = new ReentrantLock(); // ReentrantLock是Lock的子類

   private void method(Thread thread){
       lock.lock(); // 獲取鎖對象
       try {
           System.out.println("線程名："+thread.getName() + "獲得瞭鎖");
           // Thread.sleep(2000);
       }catch(Exception e){
           e.printStackTrace();
       } finally {
           System.out.println("線程名："+thread.getName() + "釋放瞭鎖");
           lock.unlock(); // 釋放鎖對象
       }
   }

進入方法我們首先要獲取到鎖，然後去執行我們業務代碼，這裡跟synchronized不同的是，Lock獲取的所對象需要我們親自去進行釋放，為瞭防止我們代碼出現異常，所以我們的釋放鎖操作放在finally中，因為finally中的代碼無論如何都是會執行的。

寫個主方法，開啟兩個線程測試一下我們的程序是否正常：

public static void main(String[] args) {
       LockTest lockTest = new LockTest();

       // 線程1
       Thread t1 = new Thread(new Runnable() {

           @Override
           public void run() {
               // Thread.currentThread()  返回當前線程的引用
               lockTest.method(Thread.currentThread());
           }
       }, "t1");

       // 線程2
       Thread t2 = new Thread(new Runnable() {

           @Override
           public void run() {
               lockTest.method(Thread.currentThread());
           }
       }, "t2");

       t1.start();
       t2.start();
   }

結果：

可以看出我們的執行，是沒有任何問題的。

其實在Lock還有幾種獲取鎖的方式，我們這裡再說一種，就是tryLock()這個方法跟Lock()是有區別的，Lock在獲取鎖的時候，如果拿不到鎖，就一直處於等待狀態，直到拿到鎖，但是tryLock()卻不是這樣的，tryLock是有一個Boolean的返回值的，如果沒有拿到鎖，直接返回false，停止等待，它不會像Lock()那樣去一直等待獲取鎖。

我們來看下代碼：

private void method(Thread thread){
       // lock.lock(); // 獲取鎖對象
       if (lock.tryLock()) {
           try {
               System.out.println("線程名："+thread.getName() + "獲得瞭鎖");
               // Thread.sleep(2000);
           }catch(Exception e){
               e.printStackTrace();
           } finally {
               System.out.println("線程名："+thread.getName() + "釋放瞭鎖");
               lock.unlock(); // 釋放鎖對象
           }
       }
   }

結果：我們繼續使用剛才的兩個線程進行測試可以發現，在線程t1獲取到鎖之後，線程t2立馬進來，然後發現鎖已經被占用，那麼這個時候它也不在繼續等待。

似乎這種方法，感覺不是很完美，如果我第一個線程，拿到鎖的時間，比第二個線程進來的時間還要長，是不是也拿不到鎖對象？

那我能不能，用一中方式來控制一下，讓後面等待的線程，可以等待5秒，如果5秒之後，還獲取不到鎖，那麼就停止等，其實tryLock()是可以進行設置等待的相應時間的。

private void method(Thread thread) throws InterruptedException {
       // lock.lock(); // 獲取鎖對象

       // 如果2秒內獲取不到鎖對象，那就不再等待
       if (lock.tryLock(2,TimeUnit.SECONDS)) {
           try {
               System.out.println("線程名："+thread.getName() + "獲得瞭鎖");

               // 這裡睡眠3秒
               Thread.sleep(3000);
           }catch(Exception e){
               e.printStackTrace();
           } finally {
               System.out.println("線程名："+thread.getName() + "釋放瞭鎖");
               lock.unlock(); // 釋放鎖對象
           }
       }
   }

結果：看上面的代碼，我們可以發現，雖然我們獲取鎖對象的時候，可以等待2秒，但是我們線程t1在獲取鎖對象之後，執行任務缺花費瞭3秒，那麼這個時候線程t2是不在等待的。

我們再來改一下這個等待時間，改為5秒，再來看下結果：

private void method(Thread thread) throws InterruptedException {
       // lock.lock(); // 獲取鎖對象

       // 如果5秒內獲取不到鎖對象，那就不再等待
       if (lock.tryLock(5,TimeUnit.SECONDS)) {
           try {
               System.out.println("線程名："+thread.getName() + "獲得瞭鎖");
           }catch(Exception e){
               e.printStackTrace();
           } finally {
               System.out.println("線程名："+thread.getName() + "釋放瞭鎖");
               lock.unlock(); // 釋放鎖對象
           }
       }
   }

結果：這個時候我們可以看到，線程t2等到5秒獲取到瞭鎖對象，執行瞭任務代碼。

以上就是使用Lock，來保證我們線程安全的方式。

到此這篇關於5個步驟讓你明白多線程和線程安全的文章就介紹到這瞭。希望對大傢的學習有所幫助，也希望大傢多多支持WalkonNet。

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