成员变量与线程安全

摘要: 本文主要讨论成员变量对线程安全的影响。在多线程共享对象时，线程安全问题尤为突出、重要。在web开发中，碰到最多的还是多线程与单例模式之间的结合使用。

通过集中情况来观察成员变量对线程安全的影响：

1.数据不共享

线程类代码如下：

package com.feng.example;

public class MyThread extends Thread {

private int count = 5;

@Override
public void run() {
// TODO Auto-generated method stub
while(count > 0)
{
count--;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"==="+count);
}
}
}

‍测试类代码如下：‍

package com.feng.example;

public class ThreadTest {

/**
* @param args
*/
public static void main(String[] args) {

Thread a = new MyThread();
Thread b = new MyThread();
Thread c = new MyThread();

a.start();
b.start();
c.start();
}

}

分析：在主程序中分别创建了三个线程实例对象，三个实例对象有自己的内容空间，有自己的成员变量，内存模型如下图所示：



三个线程a.b.c都有各自的count成员变量，三者运行互不影响。因此在数据不共享的情况下是不会出现线程安全问题的。

程序输出：

Thread-0===4
Thread-0===3
Thread-0===2
Thread-0===1
Thread-0===0
Thread-1===4
Thread-1===3
Thread-1===2
Thread-1===1
Thread-1===0
Thread-2===4
Thread-2===3
Thread-2===2
Thread-2===1
Thread-2===0

2.数据共享

在数据共享这一部分分为两个部分来讲：

（1）多个线程实例（同一个类的实例）的成员变量指向同一个对象，那就将成员变量改为static类型

线程类改写为：

package com.feng.example;

public class MyThread extends Thread {

private static int  count = 5;

@Override
public void run() {
// TODO Auto-generated method stub
while(count > 0)
{
count--;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"==="+count);
}
}
}

测试类不变：

分析：三个实例对象的成员变量都是使用指向的同一个成员变量，内存结构如下图所示：



三个线程修改的是同一个count变量，那么执行结果就不再是每一个线程都会循环5次了。除此之外，当线程a执行到了count--时，cpu切换去执行线程b，线程同样执行到count--然后输出，就会出现输出两次3，而没有结果4。这就出现了线程安全问题。其他的线程修改了本线程中还未处理完的数据（这里指的是输出）。

输出结果为：

Thread-0===3
Thread-0===2
Thread-0===1
Thread-0===0
Thread-1===3

由结果可以看出，Thread-0和Thread-1都输出了3，而正确的结果应该是输出4,3,2,1,0这几个数组都有的

解决方案：可以将方法定义为同步方法，在方法前加synchronized关键字？？这种解决当然不正确，因为三个线程实例是三个对象，方法级别的synchronized是对对象加锁，所以对象各不相同因此在方法上加同步是没有任何效果的。正确的做法是使用synchronized语句块对MyThread的class文件加锁，程序修改如下：

package com.feng.example;

public class MyThread extends Thread {

private static int  count = 5;

@Override
public void run() {
// TODO Auto-generated method stub
synchronized(MyThread.class)
{
while(count > 0)
{
count--;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"==="+count);
}
}
}
}

测试类不修改，执行结果如下：

Thread-2===4
Thread-2===3
Thread-2===2
Thread-2===1
Thread-2===0

当然解决的方案有很多，这里不细讲解决方案。

有的书本中的讲解都会提及count++, count--会被分成三步操作的问题，这里我个人认为存在这一方面的原因，但也存在count--后时间片到了的情况，去执行其他线程的代码块，导致了count的值不准确。验证这一说法的办法就是将count--修改为--count，--count课时寄存器自减操作不会分成三步操作了吧。结果同样会出现相同的值。这个验证大家自行测试。

（2）不同的线程（不同的线程类）引用同一对象作为成员变量

定义两个线程MyThreadA，MyThreadB，自定义类MyNum用于计数

package com.feng.example;

public class MyNum {

int count;

public int getCount() {
return count;
}

public void setCount(int count) {
this.count = count;
}
}

package com.feng.example;

public class MyThreadA extends Thread{

private MyNum count;

public MyThreadA(MyNum count)
{
this.count = count;
}

@Override
public void run() {
// TODO Auto-generated method stub
while(count.getCount()  >0)
{
count.setCount(count.getCount()-1);
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"====="+count.getCount());
}
}

}

package com.feng.example;

public class MyThreadB extends Thread{

private MyNum count;

public MyThreadB(MyNum count)
{
this.count = count;
}

@Override
public void run() {
// TODO Auto-generated method stub
while(count.getCount()  >0)
{
count.setCount(count.getCount()-1);
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"====="+count.getCount());
}
}

}

测试类：

package com.feng.example;

public class ThreadTest {

/**
* @param args
*/
public static void main(String[] args) {

MyNum count = new MyNum();
count.setCount(5);
Thread a = new MyThreadA(count);
Thread b = new MyThreadB(count);

a.start();
b.start();
}

}

通过传递同一个对象给两个线程，这两个线程共用这一个计数器。因为没有同步操作，这个线程执行还会出现线程安全问题。

输出结果：

Thread-1=====3
Thread-0=====3
Thread-1=====2
Thread-0=====1
Thread-1=====0

解决方案：可以使用LocalThread解决，也可以使用sychronized解决，此处不细讲。

如果此处将计数器简单的使用Integer类型，观察会有什么不同？为什么？

通过以上实验可以得出，不管是同一个class文件产生的多个线程实例还是多个class文件产生的多个线程实例，只要对同一个对象进行处理就会出现线程安全问题。

3.浅谈web中的Servlet

Servlet是单例的，意思就是说不管多少个请求，如果请求的是同一个Servlet，那么他们都会使用同一个Servlet对象。

如果不慎在Servlet中使用成员变量保存前台传输过来的数据，那么后台数据将会产生错乱（为什么？查看共享数据中的第二个例子，将MyNum想象成Servlet，使用count接收前台的数据）。因此在Servlet中都是在doGet或者doPost方法中使用局部变量来接收前台的数据，因为每次调用方法时，都会为此次方法调用开辟空间，方法中的各个局部变量之间没有影响。

因此在Servlet中很少使用成员变量。我将单独列出一个模块讨论多线程和单例之间的关系，这里就不深入研究了。

用自己的话总结一下：线程安全问题就是指应该成为原子操作的模块没有完整的执行。