【Java第74集】java线程安全的概念详解

一、多线程概念

1. 同步与异步

同步（Synchronous）

• 定义：任务按照顺序依次执行，每个任务必须等待前一个任务完成后才能开始。
• 特点：
  • 阻塞：当前任务未完成时，后续任务必须等待。
  • 线性执行：程序流程是线性的、可预测的。
  • 简单易懂：逻辑清晰，适合调试。
• 缺点：
  • 性能低：耗时任务会阻塞后续任务，导致资源浪费。
  • 无法利用并发：无法充分利用多核CPU或多线程的优势。

异步（Asynchronous）

• 定义：任务可以并发执行，无需等待前一个任务完成。
• 特点：
  • 非阻塞：任务发起后立即返回，后续代码继续执行。
  • 并发执行：多个任务同时进行，提升效率。
  • 复杂性高：需要处理回调、事件或状态通知。
• 优点：
  • 高性能：适合I/O密集型或耗时任务。
  • 响应快：避免主线程阻塞，提升用户体验。
• 缺点：
  • 逻辑复杂：可能引发竞态条件、数据不一致等问题。
  • 调试困难：依赖回调或事件驱动，控制流不直观。

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2. 阻塞与非阻塞

阻塞（Blocking）

• 定义：当程序发起一个操作（如读取数据）时，如果资源未就绪或操作未完成，当前线程会暂停执行，等待直到操作完成或资源可用。
• 特点：
  • 线程进入等待状态（挂起），无法执行其他任务。
  • 操作完成后自动恢复线程执行。
  • 实现简单，但可能导致资源浪费（如CPU空转）。

非阻塞（Non-blocking）

• 定义：当程序发起一个操作时，如果资源未就绪或操作未完成，函数会立即返回，不会阻塞线程，而是返回一个状态码（如错误码或“未就绪”提示）。
• 特点：
  • 线程继续执行后续代码，无需等待操作完成。
  • 需要轮询（Polling）或事件驱动（Event-driven）机制检查操作是否完成。
  • 提高资源利用率，但实现复杂度较高。

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3. 并发与并行

并发（Concurrency）

• 定义：多个任务在同一时间段内交替执行，宏观上表现为“同时进行”，但微观上是通过快速切换时间片实现的。
• 特点：
  • 不依赖多核CPU，单核即可实现。
  • 通过时间片轮转或事件驱动模拟“同时执行”。
  • 关注任务的调度与管理，而非物理上的同时执行。
• 示例：
  单核CPU运行一个多线程程序，线程A执行10ms → 切换到线程B执行10ms → 再切换回线程A，用户感知为“同时运行”。

并行（Parallelism）

• 定义：多个任务真正同时执行，需要硬件支持（如多核CPU、分布式系统）。
• 特点：
  • 依赖多核CPU或多台计算机。
  • 任务在物理上同时执行，无需切换上下文。
  • 关注任务的分解与分配，以最大化计算效率。
• 示例：
  8核CPU运行一个视频渲染程序，每个核心独立处理一帧，8个帧同时渲染。

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二、什么是线程安全？

• 什么是线程安全？下面是我摘自java并发编程书里给的解释：

  当多个线程访问某个类时，这个类始终都能表现出正确的行为，那么就称这个类是线程安全的。

• 这个解释听的是不是云里雾里？我们说的通俗一点：

  线程安全就是多线程并发访问的时候，确保共享资源的访问顺序和结果都符合预期。

• 线程安全需保证以下几点：

  • 原子性（Atomicity）：操作不可分割，要么全部完成，要么全部不执行。
  • 可见性（Visibility）：一个线程修改共享变量后，其他线程能立即看到最新值。
  • 有序性（Ordering）：代码执行顺序符合预期，避免指令重排序导致的逻辑错误。

• 线程不安全的典型表现：

  • 数据竞争（Data Race）：多线程同时修改共享变量导致结果不可预测。
  • 脏读（Dirty Read）：读取到其他线程未完成的中间状态数据。
  • 死锁（Deadlock）：多个线程互相等待对方释放锁，导致永久阻塞。

我们知道线程共享的内存区域主要就是java堆，而java堆主要存的就是对象和数组，所有的全局变量都存储在堆中。也就是说我们想保证线程安全，就需要保证全局变量和堆内的对象不会受其他线程影响。-------->JVM内存模型介绍传送门

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二、实现线程安全的方式

我们可以从数据共享和不共享两个方面来讨论实现线程安全的方式：

1、避免数据共享

通过避免数据共享，让所有资源都变成线程私有，达到线程安全。主要实现方法有以下几种：

（1）无状态代码

当多个线程访问公共资源的时候，才可能出现数据安全问题，那么如果我们的整个类的代码没有使用公共资源，那么这个类就是线程安全的。

（2）不可变对象

当多个线程访问的对象是不可变或者对象的属性都不可变，那么这个类就是线程安全的。

• 通过使用final修饰类，发布不可变对象。String属于不可变对象，可直接使用。
• 通过使用private final修饰属性，确保对象的属性不可修改。
• 通过不提供对象的内部修改方法，确保对象不被修改。

（3）使用volatile修饰

通过使用Volatile类型修饰，保证所有线程读到的都是最新的状态。volatile类型修饰的变量只适用于一写多读情况，只能确保其可见性，如果要保证线程安全，则需要保证只有单个线程去修改。

（4）线程封闭

通过确保资源属于线程私有，使用线程的本地存储，即使用ThreadLocal类存储对象。

• ThreadLocal提供类get()和set()等方法，为每个使用该变量的线程都保存一份独立的副本。Thread类中有一个成员变量ThreadLocal.ThreadLocalMap，ThreadLocalMap则定义在ThreadLocal类中的静态内部类，它是一个Map，他的key是线程对象，value是线程的变量副本。

（5）数据隔离设计

通过程序设计上控制数据访问在单一线程内串行执行，比如根据用户ID设计不同的数据结构，保证线程在该用户下不会受其他用户干扰，达到与其他用户的数据完全隔离的效果。

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2、数据必须共享

保证数据共享安全，即保证数据同步。同步的方式主要有以下：

（1）互斥同步（阻塞同步）

为了保证多线程在同一时间访问共享数据的安全性，我们可以通过加互斥锁使共享数据每次只被一个线程访问，这样就能保证线程安全，但是同时线程会被阻塞。互斥同步的主要实现方式是加锁，主要有以下方式：

• synchronized关键字：java内置锁，可重入。同步代码块的锁就是方法调用所在的对象，静态的synchronized方法以Class对象作为锁。进入占有锁，退出释放锁（无论是正常还是异常退出）。

• Lock接口：实现Lock接口，它包含了： 公平锁 、 非公平锁 、可重入锁 、 读写锁等更多更强大的功能。默认的是非公平锁 false，必须手动释放锁。常见的实现类有ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock。相较于synchronized优势：

  • 1. 可实现公平锁 (构造参数传true)
  • 2. 可响应中断
  • 3. 获取锁限时等待
  • 4. 结合Condition实现等待通知机制

• 分布式锁：如果是在单机的情况下，使用synchronized和Lock保证线程安全是没有问题的。但如果在分布式集群环境中，即某个应用如果部署了多个集群下的多个节点，每一个节点使用可以synchronized和Lock保证线程安全，但不同的节点之间，没法保证线程安全。此时就需要考虑使用分布式锁了。分布式锁有很多种，比如：数据库分布式锁，zookeeper分布式锁，redis分布式锁等。

（2）非阻塞同步

• CAS（Compare And Swap）锁机制：
  • 使用 Atomic 类 (原子变量)，Java 提供了 java.util.concurrent.atomic包中的一组类，如AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference 等，它们通过 CAS（Compare And Swap）机制提供了线程安全的操作。
• JUC线程安全类：Java提供的并发包中的高效线程安全集合（java.util.concurrent），比如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet、ConcurrentLinkedQueue等。