面试突击37：线程安全问题的解决方案有哪些？
线程安全是指某个方法或某段代码，在多线程中能够正确的执行，不会出现数据不一致或数据污染的情况，我们把这样的程序称之为线程安全的，反之则为非线程安全的。在 Java 中，解决线程安全问题有以下 3 种手段：使用线程安全类，比如 AtomicInteger。
加锁排队执行
使用 synchronized 加锁。
使用 ReentrantLock 加锁。
使用线程本地变量 ThreadLocal。
接下来我们逐个来看它们的实现。
线程安全问题演示
我们创建一个变量 number 等于 0，之后创建线程 1，执行 100 万次 ++ 操作，同时再创建线程 2 执行 100 万次 -- 操作，等线程 1 和线程 2 都执行完之后，打印 number 变量的值，如果打印的结果为 0，则说明是线程安全的，否则则为非线程安全的，示例代码如下：
public class ThreadSafeTest {
// 全局变量
private static int number = 0;
// 循环次数(100W)
private static final int COUNT = 1_000_000;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 线程1：执行 100W 次 ++ 操作
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
number++;
}
});
t1.start();
// 线程2：执行 100W 次 -- 操作
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
number--;
}
});
t2.start();
// 等待线程 1 和线程 2，执行完，打印 number 最终的结果
t1.join();
t2.join();
System.out.println("number 最终结果：" + number);
}
}
以上程序的执行结果如下图所示：
从上述执行结果可以看出，number 变量最终的结果并不是 0，和预期的正确结果不相符，这就是多线程中的线程安全问题。
解决线程安全问题
1.原子类AtomicInteger
AtomicInteger 是线程安全的类，使用它可以将 ++ 操作和 -- 操作，变成一个原子性操作，这样就能解决非线程安全的问题了，如下代码所示：
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class AtomicIntegerExample {
// 创建 AtomicInteger
private static AtomicInteger number = new AtomicInteger(0);
// 循环次数
private static final int COUNT = 1_000_000;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 线程1：执行 100W 次 ++ 操作
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
// ++ 操作
number.incrementAndGet();
}
});
t1.start();
// 线程2：执行 100W 次 -- 操作
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
// -- 操作
number.decrementAndGet();
}
});
t2.start();
// 等待线程 1 和线程 2，执行完，打印 number 最终的结果
t1.join();
t2.join();
System.out.println("最终结果：" + number.get());
}
}
以上程序的执行结果如下图所示：
2.加锁排队执行
Java 中有两种锁：synchronized 同步锁和 ReentrantLock 可重入锁。
2.1 同步锁synchronized
synchronized 是 JVM 层面实现的自动加锁和自动释放锁的同步锁，它的实现代码如下：
public class SynchronizedExample {
// 全局变量
private static int number = 0;
// 循环次数(100W)
private static final int COUNT = 1_000_000;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 线程1：执行 100W 次 ++ 操作
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
// 加锁排队执行
synchronized (SynchronizedExample.class) {
number++;
}
}
});
t1.start();
// 线程2：执行 100W 次 -- 操作
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
// 加锁排队执行
synchronized (SynchronizedExample.class) {
number--;
}
}
});
t2.start();
// 等待线程 1 和线程 2，执行完，打印 number 最终的结果
t1.join();
t2.join();
System.out.println("number 最终结果：" + number);
}
}
以上程序的执行结果如下图所示：
2.2 可重入锁ReentrantLock
ReentrantLock 可重入锁需要程序员自己加锁和释放锁，它的实现代码如下：
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
* 使用 ReentrantLock 解决非线程安全问题
*/
public class ReentrantLockExample {
// 全局变量
private static int number = 0;
// 循环次数(100W)
private static final int COUNT = 1_000_000;
// 创建 ReentrantLock
private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 线程1：执行 100W 次 ++ 操作
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
lock.lock(); // 手动加锁
number++; // ++ 操作
lock.unlock();// 手动释放锁
}
});
t1.start();
// 线程2：执行 100W 次 -- 操作
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
lock.lock(); // 手动加锁
number--; // -- 操作
lock.unlock();// 手动释放锁
}
});
t2.start();
// 等待线程 1 和线程 2，执行完，打印 number 最终的结果
t1.join();
t2.join();
System.out.println("number 最终结果：" + number);
}
}
以上程序的执行结果如下图所示：
3.线程本地变量ThreadLocal
使用 ThreadLocal 线程本地变量也可以解决线程安全问题，它是给每个线程独自创建了一份属于自己的私有变量，不同的线程操作的是不同的变量，所以也不会存在非线程安全的问题，它的实现代码如下：
public class ThreadSafeExample {
// 创建 ThreadLocal（设置每个线程中的初始值为 0）
private static ThreadLocal<Integer> threadLocal = ThreadLocal.withInitial(() -> 0);
// 全局变量
private static int number = 0;
// 循环次数(100W)
private static final int COUNT = 1_000_000;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 线程1：执行 100W 次 ++ 操作
Thread t1 = new Thread(() -> {
try {
for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
// ++ 操作
threadLocal.set(threadLocal.get() + 1);
}
// 将 ThreadLocal 中的值进行累加
number += threadLocal.get();
} finally {
threadLocal.remove(); // 清除资源，防止内存溢出
}
});
t1.start();
// 线程2：执行 100W 次 -- 操作
Thread t2 = new Thread(() -> {
try {
for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
// -- 操作
threadLocal.set(threadLocal.get() - 1);
}
// 将 ThreadLocal 中的值进行累加
number += threadLocal.get();
} finally {
threadLocal.remove(); // 清除资源，防止内存溢出
}
});
t2.start();
// 等待线程 1 和线程 2，执行完，打印 number 最终的结果
t1.join();
t2.join();
System.out.println("最终结果：" + number);
}
}
以上程序的执行结果如下图所示：
总结
在 Java 中，解决线程安全问题的手段有 3 种：1.使用线程安全的类，如 AtomicInteger 类；2.使用锁 synchronized 或 ReentrantLock 加锁排队执行；3.使用线程本地变量 ThreadLocal 来处理。
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