对Java线程安全与不安全的理解
2017-03-01 16:44
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当我们查看JDK API的时候,总会发现一些类说明写着,线程安全或者线程不安全,比如说到StringBuilder中,有这么一句,“将StringBuilder 的实例用于多个线程是不安全的。如果需要这样的同步,则建议使用StringBuffer。”,提到StringBuffer时,说到“StringBuffer是线程安全的可变字符序列,一个类似于String的字符串缓冲区,虽然在任意时间点上它都包含某种特定的字符序列,但通过某些方法调用可以改变该序列的长度和内容。可将字符串缓冲区安全地用于多个线程。可以在必要时对这些方法进行同步,因此任意特定实例上的所有操作就好像是以串行顺序发生的,该顺序与所涉及的每个线程进行的方法调用顺序一致”。StringBuilder是一个可变的字符序列,此类提供一个与StringBuffe兼容的API,但不保证同步。该类被设计用作StringBuffer的一个简易替换,用在字符串缓冲区被单个线程使用的时候(这种情况很普遍)。如果可能,建议优先采用该类,因为在大多数实现中,它比StringBuffer要快。将StringBuilder的实例用于多个线程是不安全的,如果需要这样的同步,则建议使用StringBuffer。
根据以上JDK文档中对StringBuffer和StringBuilder的描述,得到对String、StringBuilder与StringBuffer三者使用情况的总结:
1、如果要操作少量的数据用String
2、单线程操作字符串缓冲区下操作大量数据StringBuilder
3、多线程操作字符串缓冲区下操作大量数据StringBuffer
那么下面手动创建一个线程不安全的类,然后在多线程中使用这个类,看看有什么效果。
在这个类中的count方法计算1一直加到10的和,并输出当前线程名和总和,我们期望的是每个线程都会输出55。
这里启动了10个线程,看一下输出结果:
只有Thread-0线程输出的结果是我们期望的,而输出的是每次都累加的,要想得到我们期望的结果,有几种解决方案:
1、将Count类中的成员变量num变成count方法的局部变量;
2、将线程类成员变量拿到run方法中,这时count引用是线程内的局部变量;
3、每次启动一个线程使用不同的线程类,不推荐。
通过上述测试,我们发现,存在成员变量的类用于多线程时是不安全的,不安全体现在这个成员变量可能发生非原子性的操作,而变量定义在方法内也就是局部变量是线程安全的。想想在使用struts1时,不推荐创建成员变量,因为action是单例的,如果创建了成员变量,就会存在线程不安全的隐患,而struts2是每一次请求都会创建一个action,就不用考虑线程安全的问题。所以,日常开发中,通常需要考虑成员变量或者说全局变量在多线程环境下,是否会引发一些问题。
要说明线程同步问题首先要说明Java线程的两个特性,可见性和有序性。
多个线程之间是不能直接传递数据进行交互的,它们之间的交互只能通过共享变量来实现。拿上面的例子来说明,在多个线程之间共享了Count类的一个实例,这个对象是被创建在主内存(堆内存)中,每个线程都有自己的工作内存(线程栈),工作内存存储了主内存count对象的一个副本,当线程操作count对象时,首先从主内存复制count对象到工作内存中,然后执行代码count.count(),改变了num值,最后用工作内存中的count刷新主内存的 count。当一个对象在多个工作内存中都存在副本时,如果一个工作内存刷新了主内存中的共享变量,其它线程也应该能够看到被修改后的值,此为可见性。
多个线程执行时,CPU对线程的调度是随机的,我们不知道当前程序被执行到哪步就切换到了下一个线程,一个最经典的例子就是银行汇款问题,一个银行账户存款100,这时一个人从该账户取10元,同时另一个人向该账户汇10元,那么余额应该还是100。那么此时可能发生这种情况,A线程负责取款,B线程负责汇款,A从主内存读到100,B从主内存读到100,A执行减10操作,并将数据刷新到主内存,这时主内存数据100-10=90,而B内存执行加10操作,并将数据刷新到主内存,最后主内存数据100+10=110,显然这是一个严重的问题,我们要保证A线程和B线程有序执行,先取款后汇款或者先汇款后取款,此为有序性。
根据以上JDK文档中对StringBuffer和StringBuilder的描述,得到对String、StringBuilder与StringBuffer三者使用情况的总结:
1、如果要操作少量的数据用String
2、单线程操作字符串缓冲区下操作大量数据StringBuilder
3、多线程操作字符串缓冲区下操作大量数据StringBuffer
那么下面手动创建一个线程不安全的类,然后在多线程中使用这个类,看看有什么效果。
public class Count { private int num; public void count() { for(int i = 1; i <= 10; i++) { num += i; } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-" + num); } }
在这个类中的count方法计算1一直加到10的和,并输出当前线程名和总和,我们期望的是每个线程都会输出55。
public class ThreadTest { public static void main(String[] args) { Runnable runnable = new Runnable() { Count count = new Count(); public void run() { count.count(); } }; for(int i = 0; i < 10; i++) { new Thread(runnable).start(); } } }
这里启动了10个线程,看一下输出结果:
Thread-0-55 Thread-1-110 Thread-2-165 Thread-4-220 Thread-5-275 Thread-6-330 Thread-3-385 Thread-7-440 Thread-8-495 Thread-9-550
只有Thread-0线程输出的结果是我们期望的,而输出的是每次都累加的,要想得到我们期望的结果,有几种解决方案:
1、将Count类中的成员变量num变成count方法的局部变量;
public class Count { public void count() { int num = 0; for(int i = 1; i <= 10; i++) { num += i; } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ”-“ + num); } }
2、将线程类成员变量拿到run方法中,这时count引用是线程内的局部变量;
public class ThreadTest4 { public static void main(String[] args) { Runnable runnable = new Runnable() { public void run() { Count count = new Count(); count.count(); } }; for(int i = 0; i < 10; i++) { new Thread(runnable).start(); } } }
3、每次启动一个线程使用不同的线程类,不推荐。
通过上述测试,我们发现,存在成员变量的类用于多线程时是不安全的,不安全体现在这个成员变量可能发生非原子性的操作,而变量定义在方法内也就是局部变量是线程安全的。想想在使用struts1时,不推荐创建成员变量,因为action是单例的,如果创建了成员变量,就会存在线程不安全的隐患,而struts2是每一次请求都会创建一个action,就不用考虑线程安全的问题。所以,日常开发中,通常需要考虑成员变量或者说全局变量在多线程环境下,是否会引发一些问题。
要说明线程同步问题首先要说明Java线程的两个特性,可见性和有序性。
多个线程之间是不能直接传递数据进行交互的,它们之间的交互只能通过共享变量来实现。拿上面的例子来说明,在多个线程之间共享了Count类的一个实例,这个对象是被创建在主内存(堆内存)中,每个线程都有自己的工作内存(线程栈),工作内存存储了主内存count对象的一个副本,当线程操作count对象时,首先从主内存复制count对象到工作内存中,然后执行代码count.count(),改变了num值,最后用工作内存中的count刷新主内存的 count。当一个对象在多个工作内存中都存在副本时,如果一个工作内存刷新了主内存中的共享变量,其它线程也应该能够看到被修改后的值,此为可见性。
多个线程执行时,CPU对线程的调度是随机的,我们不知道当前程序被执行到哪步就切换到了下一个线程,一个最经典的例子就是银行汇款问题,一个银行账户存款100,这时一个人从该账户取10元,同时另一个人向该账户汇10元,那么余额应该还是100。那么此时可能发生这种情况,A线程负责取款,B线程负责汇款,A从主内存读到100,B从主内存读到100,A执行减10操作,并将数据刷新到主内存,这时主内存数据100-10=90,而B内存执行加10操作,并将数据刷新到主内存,最后主内存数据100+10=110,显然这是一个严重的问题,我们要保证A线程和B线程有序执行,先取款后汇款或者先汇款后取款,此为有序性。
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